有限元法在城市下穿隧道改造設計中的應用

施發弘，陶家清

(1.中國航空港建設第九工程總隊，四川成都610000;2.中國市政工程西南設計研究總院，四川成都610000)

1 工程概況和及特點

光華下穿隧道改造工程位于成都市二環路西段，主要節點為二環路光華村路口現有下穿隧道上新建高架橋，下穿隧道全長449.071 m。下穿隧道船槽段二環路主線高架橋采用30 m跨徑預應力混凝土小箱梁，基礎采用承臺接群樁基礎，承臺尺寸為8.0 m×6.25 m×2.5 m，樁基采用4根1.5 m鉆孔灌注樁?？蚣茼敇蚨諗U大基礎尺寸為8.8 m×6.25 m×1 m，框架內擴大基礎對應平面范圍填充C30混凝土。

1.1 工程特點

二環路光華村路口下穿隧道，交通十分繁忙，各種地下管線縱橫交錯，受交通及各種地下管線影響極大;工程主要在現有隧道船槽底板上施工橋墩及位于下穿隧道框架段內50#、51#橋墩施工，工序復雜。下穿隧道設計縱斷面共設置3個豎曲線，樁號02+73.863處的豎曲線半徑R=1 100 m，T=26.648 m;樁號04+74.742處的豎曲線半徑為R=1 400 m，T=68.598 m;樁號06+68.934處的豎曲線半徑為R=1 050 m，T=25.806 m。坡段長度分別為200.879 m和194.192 m，下穿最大縱坡度為4.9%。下穿隧道橫斷面設計:2×1 m邊墻+2×0.75 m 邊溝+2×0.25 m 車道邊緣帶+2×(3×3.5)m 車行道+2×0.25 m車道邊緣帶+1.3 m的中央分隔帶=26.8 m。

2 地基承載力分析

地基承載能力分析采用ansys14進行，計算模型如圖1。

圖1 計算模型

計算采用solid18x系列高階單元，共158 618個。下穿框架采用映射網格劃分，均為6面體20節點單元，橋墩采用自動劃分，為4面體8節點單元。

2.1 計算荷載

混凝土容重為26 kN/m3，標準重力加速度為9.8 m/s2。

上跨橋反力根據上部結構計算，單幅橋邊支點為2 900 kN，中支點為2 100 kN，加載示意如圖2。

圖2 加載示意

2.2 計算的邊界條件

根據地勘報告，框架下為卵石土，由于該框架上有兩個橋墩，且兩個橋墩對應框架下處于不同密實度的卵石土中，因此分別對松散卵石、稍密卵石、中密卵石建立三個模型進行計算，其地基剛度采用三種地基土對應的基床系數。計算邊界條件系數選擇見表1。

2.3 計算結果

當基礎為稍密卵石時底面法向應力，其中底面對應承臺位置處應力較大，為263 kPa，容許承載力為350 kPa，地基承載能力滿足要求。

當基礎為中密卵石時底面法向應力，其中底面對應承臺位置處應力較大，為277 kPa，容許承載力為550 kPa，地基承載能力滿足要求。

表1 計算邊界條件系數

3 底板實體受力分析

3.1 計算模型

框架底板裂縫分析模型采用midas/FEA進行，模型采用DP材料模擬土，框架本身采用C40混凝土，其中頂板及側墻采用彈性單元，底板采用裂縫特性單元。裂縫模型為彌散模型，采用總應變裂縫模型(Total Strain Crack)，計算模型如圖3～圖5。

圖3 總體模型

圖4 框架模型

3.2 計算荷載

荷載的考慮同ansys計算模型

3.3 邊界條件

采用DP材料模擬，DP材料范圍按6倍結構大小取值。DP材料邊界采用固結，結構與DP材料之間未考慮滑移影響。對稱面處采用對稱約束。

3.4 計算結果

3.4.1 3D單元開裂狀態見圖6

圖6 3D單元開裂狀態

由圖6可知，在底板底面對應承臺邊緣范圍內有裂縫開展，在中墻對應底板底面有裂縫開展，在底板加厚處對應頂面有裂縫開展。

3.4.2 3D單元裂縫應變見圖7

圖7 3D單元裂縫應變

其中最大裂縫法向應變為1.40033×10－4，單元長度為約為0.4 m。根據彌散裂縫模型寬度計算理論估算，裂縫寬度約為0.0560132 mm。

4 框架承載力分析

采用Midas/civil建立桿系模型進行承載能力分析?；炷敛牧喜捎肅40，鋼筋采用HRB335。設計活載:城－A級。

程序自動考慮組合，選擇包絡最大值進行驗算，即結果中已考慮了偏載的情況。

計算結果顯示:承載能力驗算和裂縫寬度驗算結果均符合要求。

5 計算結論

(1)框架地基承載力滿足要求

通過收集原設計文件得知“結構基底深度處為稍密卵石層，承載力滿足設計要求(地基容許承載力大于等于250 kPa)”(摘自原設計說明)，因此新建二環路高架橋后，框架段地基承載力滿足要求。

(2)底板裂縫均滿足規范要求

按照實體單元計算最大裂縫寬度為0.056 mm，滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62－2004)規范要求。