三跨斜交地道橋受力特點探討

海 潮

(南通職業大學，江蘇 南通 226007)

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三跨斜交地道橋受力特點探討

海 潮

(南通職業大學，江蘇 南通 226007)

采用有限元軟件，建立了地道橋力學模型，對斜交角度分別為80°，70°，60°的一組三跨地道橋進行了分析，通過對比研究，展示了三跨斜交地道橋的一般受力特點，進而提出了一些地道橋的設計建議。

地道橋，ANSYS，受力特點，力學模型

1 地道橋構造尺寸及荷載情況

三跨地道橋橋長10 m，中凈跨為16 m，兩側邊凈跨為8 m，頂板厚0.8 m，底板厚0.9 m，高度為7 m。斜交角度分別取80°，70°，60°。三跨地道橋平面尺寸及考察截面如圖1所示。

列車活載采用中—活載；汽車荷載采用汽—20；軌底到頂板的高度為0.65 m，其中，道碴高度為0.55 m，防水層厚度為0.1 m；容重都為20 kN/m3；鋼筋混凝土容重采用25 kN/m3；橋跨內無填土；不計溫度和土壓力的影響；橋上列車線路數為2，橋下公路車道數為2。荷載情況按以下采用：

恒載：碎石道床：W1=0.55×1.0×20=11.0 kN/m2；防水層重：W2=0.1×1.0×20=2.0 kN/m2；頂板的計算均布荷載W=W1+W2=13 kN/m2；地道橋結構自重由ANSYS自動計入。

活載：列車荷載：按下式計算，其中K為換算均布荷載；N為列車線路數；η為折減系數，單線為1，雙線為0.9，三線為0.8；B為橫向分布寬度。

一線行車時，N=1,η=1.0,B=2.5+2×1.15=4.8 m。

二線行車時，N=1,η=0.9,B=4.0+2×2.5/2+2×1.15=8.8 m。

取其大者，即q活=30.6kN/m2。

汽車荷載：汽—20，雙車道，按汽車均布荷載計算為：

其中，l為跨徑，m。

為了簡化計算，近似中跨與邊跨的汽車均布荷載取值相同。

2 力學模型

其力學模型如圖2所示。這里把地道橋看作是由板組成的框架結構，彈性地基用彈性鏈桿來表示。

在ANSYS中，采用四節點的Shell181板殼單元，底板單元節點處彈性鏈桿采用Combin14彈簧單元進行建模，如圖3所示。

輸入的其他參數如下所示：彈性模量EX=3.15×104MPa,泊松比PRXY=0.03，鋼筋混凝土密度DENS=2 500 kg/m3,地基的彈性系數K=7×104kN/m3，各節點處彈簧剛度系數按面積進行分配。考察的輸出數據為M11，M22，M12，其中M11為作用在橋跨方向的彎矩，M22為作用在橋長方向的彎矩，M12為扭矩。為了便于說明，現對M11,M22正負號規定如下：頂板下側受拉為正，上側受拉為負；底板上側受拉為正，下側受拉為負，即頂底板以內側受拉為正，外側受拉為負。扭矩M12這里不關注其正負，主要看它的絕對值大小。

3 受力分析

斜交地道橋受力特點，以斜交角度60°為例說明(各個位置參見圖1，圖2)。

斜交地道橋(交角60°)橋跨方向彎矩M11分布規律如下所示：對于邊跨頂板：M11沿Z軸分布，各截面處都不均勻，M11在3—3截面銳角處出現最大負彎矩值；沿X軸分布，大致跨中(2—2截面)出現正彎矩極值，支承處(3—3截面)出現負彎矩極值。對于中跨頂板：沿Z軸分布,支承處(4—4截面)處出現最大負彎矩值(包括鈍角和銳角區域)，在跨中(5—5截面)處出現最大正彎矩；沿X軸分布，與邊跨頂板類似。整個中跨頂板彎矩M11的分布，呈現沿短對角線的“Z形”支撐。對于邊跨底板和中跨底板，M11的分布沿Z軸分布整體比較均勻，除支承處(8—8截面，9—9截面)數值有一些起伏；沿X軸的分布與傳統框架類似，在跨中有正彎矩極值，在支承處有負彎矩極值。邊跨底板最大正彎矩出現在跨中(7—7截面)橋長兩端區域，最大負彎矩都出現在支承處(8—8截面)銳角區域。中跨底板最大正彎矩出現在跨中截面處(10—10截面)，沿橋長方向均勻分布，最大負彎矩出現在支承處(9—9截面)銳角區域。斜交地道橋(交角60°)橋長方向彎矩M22分布規律如下所示：對于邊跨頂板:沿Z軸分布，M22分布不均勻，橋長中部彎矩大，兩頭?。谎豖軸分布，與框架結構類似，跨中及支承處出現極值。整個邊跨頂板最大正彎矩出現在2—2截面橋長中部區域，最大負彎矩出現在3—3截面橋長中部區域。對于中跨頂板：

沿Z軸分布不均勻，呈現橋長中部的彎矩大，前后兩頭的小；沿X軸分布，與框架結構類似，跨中及支承處出現極值。整個中跨頂板最大正彎矩出現在跨中截面(5—5截面)橋長中部區域，最大負彎矩出現在支承處(4—4截面)橋長中部區域。對于邊跨底板：沿Z軸分布，橋長中部彎矩大，向兩頭逐漸變??；沿X軸分布，跨中及支承處出現極值。整個邊跨底板最大正彎矩出現在跨中(7—7截面)橋長中部區域，最大負彎矩出現在支承處(8—8截面)橋長中部區域。對于中跨底板：沿Z軸整體分布均勻，除在支承處(9—9截面)和跨中處(10—10截面)有所起伏；沿X軸分布，跨中及支承處出現極值。整體中跨底板，正彎矩最大值出現在跨中橋長中部區域，最大負彎矩出現在支承處橋長中部區域。

斜交地道橋(交角60°)橋跨方向彎矩M12分布規律如下所示:對于邊跨頂板，角部的兩個銳角部位及一個鈍角部位，扭矩較大，另一個鈍角部位(在1—1截面)扭矩小。順橋長方向，3—3截面處各單元扭矩整體大于其他部位，其最值在橋長方向中部。對于中跨頂板，扭矩較大值出現在支承處(4—4截面)及中跨頂板的短對角線方向，呈“Z”形分布，遠離“Z”形區域逐步變小，靠近鈍角和銳角部位區域扭矩較大，扭矩在“Z”形的轉折點處變號。對于邊跨底板和中跨底板，扭矩較大值分布呈不太明顯的“Z”形分布，扭矩在“Z”形的轉折點區域變號，鈍角和銳角區域扭矩較大。

4 結語

1)三跨斜交地道橋中跨頂板M11呈明顯的“Z”形分布，鈍銳角區域及短對角線方向出現彎矩最值；邊跨的頂板、底板及中跨的底板在中墻處的鈍角和銳角區域彎矩出現較大值。M22沿橋跨分布規律與傳統框架結構類似，不再贅述；扭矩M12在中跨頂板呈現明顯的“Z”形分布，在中墻處及短對角線方向出現大值；邊跨頂底板在中墻處存在較大扭矩。

2)均布荷載作用下，地道橋中跨頂板M11隨著斜交角度的變小而變小，且隨著斜交角度的變小，沿短對角線傳遞的趨勢越發明顯，而中跨頂板M22隨斜交角度不同，基本沒有改變。各跨頂、底板的扭矩M12隨斜交角度的變小而變大，且隨著斜交角度的變小，其“Z”形分布越發明顯，扭矩大者主要集中在銳角和鈍角區域及短對角線方向。

3)根據板的配筋原理可知，橋跨方向配筋量主要取決于橋跨方向的彎矩M11及扭矩M12的大小，橋長方向的配筋量主要取決于橋長方向的彎矩M22及扭矩M12的大小。由上述分析可知，三跨正交地道橋扭矩較大值分布在頂底板四角區域，故應在四角區域加強配筋。

[1] 馮衛星，王克麗.地道橋設計與施工[M].石家莊：河北科技技術出版社，2000.

[2] 何福保，沈亞鵬.板殼理論[M].西安：西安交通大學出版社，1993.

[3] 劉 濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002：35-194.

Inquiry on mechanical properties of three-span oblique-crossing bridge

Hai Chao

(NantongVocationalUniversity,Nantong226007,China)

The thesis establishes oblique-crossing bridge mechanical model by applying finite element software,carries out an analysis for a asset of three-span oblique-crossing tunnel bridge with skew angle of 80°,70°,and 60°.Through comparative research,it shows general stress performance of three-span oblique-crossing tunnel bridge,and some oblique-crossing tunnel bridge design suggestions.

tunnel bridge,ANSYS,mechanical properties,mechanical model

1009-6825(2016)29-0170-02

2016-08-09

海 潮(1978- )，男，碩士，講師

U441

A