交叉公路下穿式U型船槽結構受力分析

（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江哈爾濱 150000）

我國城市規模進一步擴張，公路鐵路立體交叉建設逐漸增多，交通基礎設施由平面的交叉設計向立體的交叉設計發展。城市下穿式通道因占地面積小、造價經濟等優勢而日益顯示其優越性[1]。

當新建市政公路存在穿越既有鐵路情況時，越來越多的工程以路塹下鉆的方式完成施工。當下穿式結構的承載力不足，可能造成上部路面出現垮塌的危險。為了滿足安全性和穩定性的要求，下挖路塹沿線地下水水位較高時，通常采用U型船槽結構以解決防水問題[2]。

近年來，越來越多的國內外學者對下穿式道路進行結構形式的研究，如史學平、劉寶權、成永旭等學者分析并完善了該種道路的結構形式[3-5]。U型船槽結構這種較新的結構形式，主要由邊墻和底板兩部分組成，與混凝土道路相似[6-7]。由于其在變形、剛度、穩定性及防水效果等方面有優秀表現，U型船槽結構被廣泛應用于鐵路的下穿通道設計、路塹工程等市政工程[8-10]。

工程中由于U型船槽施工完成后其本身受到周圍土體的壓力和上部列車荷載的復雜作用，其穩定性問題直接關系鐵路運營的安全，目前U型船槽難以找到成熟及完善的規范指導分析，通常采用半理論半經驗的方法，增加了下穿式結構發生事故的風險[11-12]。

本文在原有理論和研究方法基礎上，通過Midas/Civil有限元分析軟件綜合考慮周圍土的側壓力、地下水作用及上部交通荷載等因素對結構的影響，對某下穿鐵路立交橋U型船槽進行模擬分析。

1 下穿式U型船槽斷面計算模型

1.1 U型船槽斷面力學模型

框架結構的地道橋在力學模型建立時，可將地基看作為半無限彈性地基，并利用彈性鏈桿表示；框構地道橋，其單孔、雙孔、三孔、四孔結構形式均可將其看作為由板單元（薄板或厚板）構成的結構體系，并將其支承在彈性地基上。這種超靜定問題的空間結構受力情況比較復雜，如何選取計算單元決定了斷面和受力形式。

《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》（TB 10092—2017）中規定，框架橋結構可以參照剛架，截取b=1 m的單元[13]。

根據以往設計工程經驗，為適應隨深度增加而增大的邊墻外土壓力和水壓力的共同作用，邊墻采用隨深度的加大而增大截面尺寸的方法。

U型槽底板斷面通常采用矩形，依據挖深情況和水位高度確定底板厚度。采用彈性地基梁中的梁與地基共同作用的受力模型計算底板，較好的符合板與地基完全接觸的實際情況。可采用文克爾地基模型、郭氏表法對梁與地基共同作用的情況進行計算，郭氏表法計算范圍受到限制，僅可用于計算作用了荷載的單跨梁，文克爾地基模型應用較為廣泛，可計算不同荷載組合的單跨梁、不同支撐條件及荷載組合的多跨梁。

比較兩種方法，同本項目的實際條件相結合，因此，采用文克爾法地基模型進行計算分析。

1.2 U型船槽斷面受力形式

U型槽邊墻可簡化為固定于底板上的懸臂梁模型，主要分析其自身重力、邊墻受背水壓力土壓力。由于基坑所在黏性土層滲透性較低，因此，基坑內外水位差較大時，兩側邊墻外側可按照靜水壓力考慮，不考慮滲流的影響。如果邊墻墻頂外存在輔道，將輔道汽車荷載使用均布土柱替代荷載。

U型槽底板可簡化為支撐于地基上的地基梁模型，按彈性地基梁進行計算，將其作為考慮地基變形的無窮多次超靜定結構。作用在彈性梁上的荷載除了結構自重、邊墻背側配重、地基反力、浮力外，還包括邊墻傳至底板的彎矩、剪力和豎向力及行車荷載等。

U型槽結構的斷面尺寸和材料容重可計算出底板自重及邊墻背側配重，作用在邊墻底部的彎矩可考慮為底板的集中彎矩施加在結構上。考慮結構整體性，邊墻與底板連接處視為剛性連接。基于以上分析，本項目U型船槽斷面計算模型如圖1所示。

圖1 U型船槽結構計算模型

2 U型船槽有限元模型建立

2.1 網格劃分

在Midas/Civil中對邊墻和底板賦予尺寸及材料性能，模型采用梁單元建模，對縱向進行網格節段劃分，分為10段，并進行變截面的處理。

邊墻及底板尺寸及材料性能如表1所示。

表1 邊墻及底板尺寸及材料性能

2.2 邊界條件與荷載

模擬實際工程情況，在擋墻底部進行固結處理，施加全約束。底板可作為彈性地基梁，在其下側放置僅受壓彈簧，由于結構整體的對稱性，兩端做鉸接處理。

驗算各點的豎向位移，當某點的豎向位移向上時，除去該點的彈簧約束。

模型受到重力的作用，重力系數為9.8 m/s2，邊墻水壓力及靜止土壓力取用梯形均布荷載、三角形均布荷載，轉化為等效的線荷載施加到邊墻上[14]。

底板受到向上的水浮力均布荷載43.1 kPa和向下的路面荷載、車輛荷載、槽內填土合力的等效均布荷載40.8 kPa。

整體有限元模型如圖2所示。

3 結果分析

3.1 邊墻結果分析

邊墻受力形式與受彎構件基本一致，最大主應力出現在邊墻外側根部。

從邊墻應力可知，應力分布規律為從外側到內側，從拉應力向壓應力逐漸過渡。數值從2.25×102kPa逐漸減小至0，與計算結果趨勢一致。

從邊墻位移可知，水平向變形是結構變形的主控項，由于作用在邊墻上的力主要為土壓力、水壓力，墻頂最大變形5.67×10-3m，不超過L0/250，符合混凝土規范要求。擋墻結構僅在底部添加了邊界條件，相當于懸臂結構，以受彎為主。

邊墻應力圖如圖3所示，邊墻位移圖如圖4所示。

圖2 整體有限元模型圖

圖3 邊墻應力圖（單位：kPa）

圖4 邊墻位移圖（單位：m）

3.2 底板結果分析

底板的應力在邊墻與底板連接處的外側壓應力最大，數值為4.37×102kPa，中間拉應力最大，值為2.18×102kPa。

從底板變形可知，底板中心向下變形，為2.19×10-3m，兩邊與邊墻相連處受到邊墻變形的影響，受到向上的拉力，位移為4.42×10-3m，符合受力規律。

底板應力圖如圖5所示，底板位移圖如圖6所示。

圖5 底板應力圖（單位：kPa）

圖6 底板位移圖（單位：m）

4 結語

目前，我國交通運輸網發達，對平改立項目的需求增大，在下穿工程中廣泛應用U型槽結構。以某下穿公路與鐵路交叉通道項目為研究對象，對其U型槽結構在土體側向壓力、地下水作用及上部交通荷載等作用下的受力特點進行分析。

（1）使用Midas/Civil軟件建立有限元模型，結合數值模擬計算結果，表明本工程斷面形式合理。

（2）通過對有限元模擬進行分析，邊墻結構最大位移值為5.7 mm，符合混凝土規范要求的不超過L0/250的要求。

（3）底板計算方法采用彈性地基梁法，計算結果與實際情況基本符合，0.64 m厚底板可保證符合U型船槽結構的應力和變形要求。