框架橋在土壓力下的力學性能分析

李鵬浩

(蘭州交通大學 土木工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來，隨著城市交通壓力的驟增，框架橋作為一種新興的橋梁結構應運而生。箱形框架橋因其整體性好[2]，剛度大、基底應力小、抗變形能力強等特點[3]，適合于地基承載力低、不均勻沉降大的地形[4]，因此，常用于城市道路或公路與鐵路的立交橋梁、礦區抗采動變形橋梁[5]。框架橋作為城市中道路交叉口主要的結構形式也承受著巨大的考驗，為確保橋梁安全、經濟、合理、正常使用[6]，需要更加了解其力學性能。

隨著城市市政橋梁跨徑越來越大，框架橋頂端覆土厚度也越來越厚，繼續深入研究框架橋在不同覆土厚度及兩側土壓力作用下的力學性能就顯得尤為重要了。一些資料表明[7]，框架橋頂上汽車荷載引起的豎向土壓力與橋上覆土厚度和兩側的土壓力有著很大關系。本文借助通用有限元軟ANSYS

詳細分析了不同工況下土壓力對框架橋的影響。

1 確定工況及荷載組合

1.1 確定工況

本文擬采用四種工況對比分析，各工況如下：

工況一：頂部覆土厚度為1米，兩側有土壓力作用；

工況二：頂部覆土厚度為1米，兩側無土壓力作用；

工況三：頂部覆土厚度為3米，兩側有土壓力作用；

工況四：頂部覆土厚度為3米，兩側無土壓力作用。

1.2 不同工況下荷載組合

（1）框架橋荷載效應按承載能力極限狀態組合，且不考慮偶然效應組合，根據《公路橋梁設計通用規范》，荷載效應按承載能力極限狀態基本組合 S=1.2×鋼筋混凝土自重+1.2×鋪裝層均布荷載+1.4×側面靜土壓力+1.4×主動土壓力+1.8×車輛荷載換算均布荷載。

（2）框架橋荷載效按正常使用極限狀態頻域組合，根據《公路橋梁設計通用規范》，荷載效應按承載能力極限狀態基本組合S=1.0×鋼筋混凝土自重+1.0×鋪裝層均布荷載+1.0×側面靜土壓力+1.0×主動土壓力+0.7×車輛荷載換算均布荷載。

（3）框架橋荷載效按正常使用極限狀態準永久組合，根據《公路橋梁設計通用規范》，荷載效應按承載能力極限狀態基本組合S=1.0×鋼筋混凝土自重+1.0×鋪裝層均布荷載+1.0×側面靜土壓力+0.4×主動土壓力+0.4×車輛荷載換算均布荷載。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

為詳細計算土壓力對框架橋的影響，本文借助ANSYS軟件建立模型計算。有限元模型如圖1所示，頂板應力云圖如圖2、3所示。

圖1 ANSYS模型示意圖

圖2 頂板跨中應力云圖

圖3 頂板端部應力云圖

3.2 不同工況下力學性能分析

（1）承載能力極限狀態結構模型各控制截面單位寬度彎矩及軸力如表1所示。

表1 荷載組合一下不同工況數據值

由上表可知，對比工況1、2和3、4，當頂板覆土厚度相同時，頂板跨中彎矩減小，端部彎矩增大；而側墻的跨中和端部彎矩均增大。對比工況 1、3和 2、4可知，覆土厚度增加時，框架橋頂板及側墻彎矩均大幅增加。由軸力數據可知，軸力只與覆土厚度有關與側墻土壓力無關。

（2）正常使用極限狀態頻域組合時，結構模型各控制截面單位寬度彎矩及軸力如下表2所示。

表 2可知，覆土厚度增加時，軸力和彎矩均急劇變大。框架橋兩側有土壓力作用時，頂板跨中彎矩減小，端部彎矩增加；側墻彎矩變化不明顯但端部彎矩明顯增大。軸力只與覆土厚度有關而與側面土壓力無關。

表2 荷載組合二下不同工況數據值

（3）正常使用極限狀態準永久組合時，結構模型各控制截面單位寬度彎矩及軸力如下表3所示。

表3 荷載組合三下不同工況數據值

分析表 1、2、3可得，當覆土厚度增加時，頂板及端部彎矩急劇增大，軸力也明顯增大。當覆土厚度一定時，分析荷載組合可忽略汽車荷載的作用，因為框架橋頂部土壓力遠遠大于汽車荷載，故可忽略不計。表 4-6的理論計算，可為框架橋的設計和施工提供一定的理論依據。

4 結語

以往關于框架橋的文獻，大都主要分析地基土質對承載能力的影響，這樣難免過于理論，無法對設計工作者提供一定的設計依據。本文結合框架橋的受力特點，總結前面的不足，借助ANSYS軟件建立有限元模型，分析框架橋在各種荷載作用下的力學性能。結果表明框架橋頂板以及側墻均以負彎矩為主要控制指標，覆土厚度增加時，框架橋頂板及側墻彎矩和軸力均明顯增加；當框架橋頂部覆土厚度達到3m及以上時，甚至可以忽略上部車輛荷載對其的影響。橋兩側的土壓力使頂板跨中彎矩減小，端部彎矩增大；而側墻的跨中和端部彎矩均增大。通過分析框架橋在土壓力作用下的力學性能，同類工程中框架橋的設計和施工均具有一定的指導和借鑒意義。

[1] 苑國強.組合框架橋沉陷及安全狀態監測與評估研究[D].中國礦業學,2014:1-2.

[2] 馬鵬.新型組合框架橋節點構造方法及受力性能的研究[D].北方工業大學,2017:1-4.

[3] 羅杰,王東權,于廣云,歐陽章智.空心型箱形鐵路框架橋的力學性能分析[J].世界橋梁,2012,40(1):60-64.

[4] 歐陽章智,王東權,于廣云,岳 娜.空心型箱型框架橋力學特性有限元分析[J].鐵道建筑,2011,4:9-12.

[4] 王燦,朱新實.雙曲拱橋病害原因分析及處治對策的研究[J].公路,2002,23(11):

74-76.[5] 朱建棟,杜守繼,付功義. 地道橋結構與土相互作用的有限元分析[J].巖土力學,2004,25(增):305-309.

[6] 鄭彥朋.型鋼混凝土框架橋受力特性與設計方法的研究[D].北方工業大學,2016:1-2.

[7] 李家穩.地道橋設計和施工[M].北京：中國鐵道出版社,2011.