深梁式框架地道橋受力行為研究

鄭遠彪， 鄒 圻， 林平東

(1.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 浙江寧波 315000; 2.西南交通大學(xué), 四川成都, 610031)

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展推動著交通建設(shè)的快速高效發(fā)展。當交通路網(wǎng)在城市內(nèi)部交叉，特別是鐵路與城市道路交叉時，現(xiàn)代城市的人口密集、交通擁堵問題使得鐵路與公路的平面交叉不再滿足其需求。將線路間的交叉由平面交叉改變?yōu)榱Ⅲw交叉成為了解決問題的思路之一，框架地道橋應(yīng)運而生。框架地道橋常采用等截面鋼筋混凝土箱形框架，上行鐵路，下行公路，具有剛度大、整體性好、變形小以及可靈活布置的特點。

對于框架地道橋，國內(nèi)學(xué)者多關(guān)注框架橋與線路的斜交角度[1-2]、覆土厚度[3]、截面形式[4]及參數(shù)[5-6]對其受力性能的影響，為框架橋設(shè)計提供參考；而國外學(xué)者則多關(guān)注框架地道橋的動力性能[7]以及新材料[8-9]的應(yīng)用可能性。

框架地道橋高跨比增加時，受力特點從普通梁向深梁轉(zhuǎn)變，即截面的正應(yīng)力分布規(guī)律逐漸背離平截面假定。盡管學(xué)者對框架地道橋有不少研究，但對上述問題的研究卻少有涉及。本文將以某實際工程為依托，通過建立實體模型研究深梁式框架橋在不同工況下的受力、變形特點。

1 計算模型的建立

1.1 依托工程簡介

某下穿隧道工程框架橋，全長61.4 m，凈跨55 m，梁高7.32 m，梁橫向?qū)挾葹?8.5 m，橫斷面采用單箱雙室。箱內(nèi)通車要求為雙向四車道，梁頂上為2 m厚土層。全橋截面僅1/2L處截面由于設(shè)置通道與全橋標準截面不一致，具體特征截面尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 1/2L截面尺寸(單位：mm)

圖2 標準截面尺寸(單位：mm)

1.2 鋼筋混凝土的模擬

由于混凝土本身同時具有開裂、壓碎、塑性等諸多復(fù)雜的力學(xué)行為，混凝土結(jié)構(gòu)在三維條件下的力學(xué)行為一般難以準確確定，為了了解混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，往往需要選用基于先進理論并通過大量試驗驗證的，較為完善的有限元分析軟件，利用三維實體單元進行空間有限元分析。與此同時，還應(yīng)合理選用單元并對計算模型采用盡量規(guī)則的網(wǎng)格進行劃分。本模型采用大型通用有限元程序ANSYS建立三維實體模型進行計算分析。

混凝土部分采用SOLID45單元，SOLID45單元為8節(jié)點三維實體單元，每個單元共有24個自由度；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用等效節(jié)點力的方法進行模擬。全橋模型共78 819個節(jié)點，58 184個單元，全橋結(jié)構(gòu)離散化情況如圖3、圖4所示。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)離散化模型

圖4 全橋離散化模型(半跨)

1.3 邊界條件設(shè)定

按照本橋的設(shè)計資料，有限元模型邊界條件設(shè)定為兩端簡支，凈跨55 m。

1.4 荷載類型及工況

模型中共考慮以下三種荷載：

(1)一期恒載G1，混凝土容重取25 kN/m3。

(2) 二期恒載G2，包括箱內(nèi)17 cm厚路面鋪裝容重23 kN/m3、箱頂100 cm厚土層容重18 kN/m3、箱頂70 cm厚路面鋪裝容重23 kN/m3以及管線等附屬荷載200 kg/m。

(3)側(cè)向土壓力G3，考慮土體摩擦角等系數(shù)后取G3=0.34γh，其中γ為土體重度取18 kN/m3。

(4)活載Q，包括箱內(nèi)雙向4車道城-A荷載Q1以及箱頂雙向6車道城-A荷載Q2。

依照上述荷載類型，共考慮七種工況，如表1所示。

2 計算結(jié)果分析

2.1 相同工況下不同截面應(yīng)力分布

選取工況一至工況六下，框架橋長度L方向八等分點截面(圖5)關(guān)鍵點(圖6)的截面正應(yīng)力進行比較，結(jié)果如圖7～圖12所示。

圖5 框架橋八等分點截面示意

圖6 距截面底部高度關(guān)鍵點選取圖示

圖7 工況一各截面正應(yīng)力

圖8 工況二各截面正應(yīng)力

圖9 工況三各截面正應(yīng)力

圖10 工況四各截面正應(yīng)力

圖11 工況五各截面正應(yīng)力

圖12 工況六各截面正應(yīng)力

從圖7～圖12可以看出：各工況下截面正應(yīng)力在腹板高度范圍內(nèi)滿足平截面假定，但在頂?shù)装甯叨确秶鷥?nèi)由于剪力滯后效應(yīng)存在，其截面正應(yīng)力不滿足平截面假定。另外，集中荷載的布置位置對沿跨徑方向?qū)ΨQ的截面的應(yīng)力大小影響極小，可以忽略不計。

2.2 偏載對截面應(yīng)力分布的影響

結(jié)合2.1中不同工況下截面正應(yīng)力分布，選取工況四、工況五、工況六作用下，跨中截面左右兩側(cè)關(guān)鍵節(jié)點(圖13)進行偏載對截面應(yīng)力的影響研究。圖14～圖16展示了三個工況下跨中截面左右兩側(cè)關(guān)鍵節(jié)點應(yīng)力隨截面高度變化的情況，圖17展示了三個工況下跨中截面正應(yīng)力(偏載側(cè)與非偏載側(cè))之比。

圖13 研究偏載對截面正應(yīng)力影響選取的關(guān)鍵點位置

圖14 工況四作用下1/2L截面兩側(cè)正應(yīng)力

圖15 工況五作用下1/2L截面兩側(cè)正應(yīng)力

圖16 工況六作用下1/2L截面兩側(cè)正應(yīng)力

圖17 偏載下1/2L截面兩側(cè)應(yīng)力比

從圖14～圖17可以看出：

(1)偏載使同一截面兩側(cè)正應(yīng)力數(shù)值產(chǎn)生差異，但截面腹板高度范圍內(nèi)仍滿足平截面假定。

(2)受剪力滯后效應(yīng)影響，截面在頂?shù)装甯叨确秶鷥?nèi)不滿足平截面假定。

(3)同一截面偏載側(cè)與非偏載側(cè)截面應(yīng)力分布差異以及剪力滯后效應(yīng)導(dǎo)致的截面背離平截面假定的程度，主要受集中荷載作用位置影響,集中荷載作用越靠近1/2L截面，該截面兩側(cè)腹板正應(yīng)力差值越大。

2.3 不同工況下截面主應(yīng)力分布規(guī)律

混凝土結(jié)構(gòu)局部和整體承載能力的大小主要體現(xiàn)為主應(yīng)力大小及其分布。因此，本節(jié)將第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力、第三主應(yīng)力在不同工況下的分布情況進行討論，各工況下主應(yīng)力分布關(guān)注截面主要為集中荷載作用截面，具體截面位置如表2所示。

2.3.1 各工況下關(guān)注截面主應(yīng)力分布

各工況下關(guān)注截面的主應(yīng)力分布見表3。

由表3可以看出：

(1)雖然該框架橋受土壓力、車道荷載等力綜合作用，但其截面的橫向變形仍具有一定對稱性，且變形符合箱型截面的變形趨勢。

(2)六種不同工況下荷載的分布規(guī)律基本一致，集中荷載、預(yù)應(yīng)力筋作用位置應(yīng)力稍大，截面區(qū)域部分應(yīng)力分布均勻。

表2 各工況下主應(yīng)力分布關(guān)注截面

2.3.2 各工況下關(guān)鍵截面主應(yīng)力分布規(guī)律

表3中第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力分布顯示翼緣板與腹板交界位置(特征部位①)、排水槽及下翼緣板與腹板交界位置(特征部位②)、以及1/2L截面開口處(特征部位③)出現(xiàn)拉應(yīng)力，出現(xiàn)拉應(yīng)力的上述特征部位如圖18、圖19所示。

圖18 1/2L截面出現(xiàn)拉應(yīng)力的特征部位

圖19 標準截面出現(xiàn)拉應(yīng)力的特征部位

對于深梁式框架橋，預(yù)應(yīng)力筋的局部影響加上剪力滯后效應(yīng)的影響使得特征部位的主應(yīng)力出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，建議在類似的框架橋設(shè)計、施工過程中，對特征部位的配筋進行局部加強，避免混凝土受拉應(yīng)力影響出現(xiàn)開裂、破碎等情況，以保證截面受力和全橋的正常使用。

3 結(jié)論

(1)對于深梁式框架橋，其截面正應(yīng)力在頂?shù)装甯叨确秶鷥?nèi)不滿足平截面假定，但在腹板高度范圍內(nèi)仍滿足平截面假定。

(2)相同工況下，框架橋跨徑方向上對稱的截面的正應(yīng)力受集中荷載影響較小，表現(xiàn)出較好的對稱性。

(3)偏載作用下，截面正應(yīng)力的分布以及截面與平截面假定的貼合程度受集中荷載作用影響大。

(4)關(guān)鍵截面正應(yīng)力分布受自重、土壓力以及預(yù)應(yīng)力影響較大，活載的集中荷載分布位置以及均布荷載的偏載對正應(yīng)力的分布可以忽略。

(5)深梁式框架橋由于剪力滯后效應(yīng)以及包括預(yù)應(yīng)力在內(nèi)的集中荷載作用，在截面突變的位置容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)該在設(shè)計及施工中對這類特征部位進行關(guān)注，以保證工程質(zhì)量。