基于MIDAS的下穿鐵路斜交框架橋的有限元分析

趙海粟

(中鐵四院集團巖土工程有限責任公司， 湖北武漢 430000)

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基于MIDAS的下穿鐵路斜交框架橋的有限元分析

趙海粟

(中鐵四院集團巖土工程有限責任公司， 湖北武漢 430000)

在新建公鐵立交工程的施工過程中會對上面既有鐵路造成一定的影響，運用MIDAS有限元分析軟件建立公路下穿既有鐵路框架橋施工的三維模型，分別模擬計算單面開挖和對稱開挖兩種不同施工條件下對既有鐵路的影響，分析鐵路的空間位移情況，為本工程和以后類似工程的設計施工提供參考。

MIDAS； 下穿鐵路； 框架橋； 位移

隨著經濟建設的發展，新建公路下穿既有鐵路的公鐵立交工程逐漸增多。為了保障既有鐵路的安全，需對下穿公路施工過程和施工結束后正常運營對既有鐵路的影響進行安全評估。

1 工程概況

哈爾濱市某新建公鐵立交工程，新建公路采用斜交框架橋的形式以約89°的角度下穿某既有鐵路，其設計孔徑為17 m+13 m+17 m。上層鐵路為繁忙干線，屬于國家I級鐵路；下穿公路為交通運輸干道，屬于一級公路。斜交框架橋采用C30鋼筋混凝土封閉式的框架結構，選擇整體頂進法進行施工。框架直接做在鐵路軌道底板以下，頂板厚1.1 m，底板厚1.2 m，中墻厚1.0 m，邊墻厚1.1 m。頂板與邊墻間設0.8 m×2.4 m的夾腋，邊墻與底板間設0.3 m×0.3 m的抹角，框架橋結構凈高7.85 m，使用凈高5 m(圖1)。

圖1 公鐵立交工程下穿框架橋結構布置

擬建場地位于松花江階地和沖積平原，地層情況從上往下為：厚約2.5 m的雜填土，厚約2 m的粉質黏土，厚約8.5 m的粉砂，厚約3.5 m的細砂，厚約3 m的粉質黏土和厚約2 m的粉砂。框架橋持力層作用在粉砂層上。

2 有限元模型建立

通過MIDAS軟件建立結構模型(圖2)，模型主要包括工程土體、排樁、內支撐、鐵路荷載等幾個部分。模型的左右邊界采用限制水平位移，模型的底部邊界采用限制水平位移和垂直位移，模型中考慮土的自重，模型中支護排樁采用板單元模擬，通過吸取板單元建立。內支撐采用桁架單元模擬。土體采用空間8節點的實體單元進行模擬，每個節點有3個自由度。

圖2 結構模型

2.1 基本假設

為了方便計算和建模方便，對MIDAS數值模擬建立如下假定：

(1)內支撐和支護結構在開挖過程中處于彈性受力狀態，土體為理想彈塑性體介質，土體的本構關系采用Mohr-Coulomb模型。

(2)根據成熟的經驗和實踐總結，基坑開挖的影響范圍大致為基坑開挖深度的2～3倍[1]。

(3)考慮方便建立模型，模型中將灌注樁等剛度為地連墻來進行支護。

2.2 荷載選取

2.2.1 恒載

(1)結構自重及頂板的路線設備重量，按照《鐵路橋涵基本設計規范》給出的橋涵結構恒載計算值：混凝土為容重為25 kN/m3；碎石道砟容重為21 kN/m3；防水層容重為20 kN/m3[2]。在模擬計算中換算為均布荷載作用在結構頂板上，沿板的法線方向垂直向下。

(2)土的側壓力。

框架兩側土的側壓力按照庫倫理論所推導的主動土壓力公式計算：

(1)

在MIDAS程序中，根據輸入的γ、h，自動計算兩側土壓力并按梯形均布荷載作用在兩側邊墻上。

(3)混凝土收縮。

對于整體澆注的鋼筋混凝土結構，相當于降低溫度15 ℃。由于框架橋主體結構通常分2步進行澆注，先澆注底板，后澆注墻和頂板。當澆注墻和頂板時，底板收縮基本完成，因此計算只考慮頂板收縮[3]。在程序計算中，頂板混凝土的收縮按降溫15 ℃考慮。

2.2.2 活載

(1)列車活載。

考慮列車移動荷載時，在程序計算中按照列車車道進行加載，車道寬度由列車橫向分布的影響來確定。

(2)豎向動力作用。

根據《鐵路橋涵基本設計規范》規定，當框架結構頂上填土厚度h<1 m(從軌底算至頂板底面)時，不計列車豎向動力作用；當h>1 m時，動力系數如式(2)所示：

(2)

式中，α=4(1-h)≤2；L為橋梁跨度(m)。

(3)列車活載引起的水平土壓力。

列車活載在框架結構邊墻外側的側向土壓力e，根據《鐵路橋涵基本設計規范》規定的計算方法確定：

(3)

(4)

式中，qh為軌底以下深度h處活載的豎向壓力(kPa)；ε為水平土壓力系數，填土采用0.25或0.35[4]，根據設計的控制情況采用，久經壓實的路堤采用0.25。在數值計算中，將列車活載土壓力簡化為壓力荷載，沿板單元的法線方向垂直作用于邊墻。

(4)公路和人行道荷載。

對于公路下穿鐵路的斜交框架橋，公路荷載作用在道路方向，鐵路荷載直接作用在橋跨方向。鐵路荷載直接作用在頂板上，對于框架結構及其重要；公路荷載直接作用在底板上，對框架結構內力值的影響較小，因此公路荷載可以進行簡化，施加在框架結構上；人行道荷載相對公路荷載較小，可忽略不計。在數值計算中，汽車荷載采用Ⅰ級荷載，換算為均布荷載作用在底板上。

3 計算結果分析

利用MIDAS軟件對基坑開挖導致周邊土體發生的沉降進行分析，分別計算不同施工順序條件下基坑開挖對既有鐵路的三維有限元影響分析。

3.1 單面開挖對既有鐵路的影響

按照工況，做好支護樁后，第一步開挖至-1 m，施做冠梁及鋼管內支撐，第二步開挖至-3 m，第三步開挖至-5 m，第四步開挖至底。圖3和圖4為開挖至底時周邊土體的水平位移和豎向位移情況。

圖3 單面開挖至底時周邊土體水平位移云

圖4 單面開挖至底時周邊土體豎向位移云

從圖3和圖4中可以看出，單面開挖在最不利工況下開挖到底時，造成既有鐵路的最大水平位移為9 mm，最大豎向位移為5 mm。

3.2 對稱開挖對既有鐵路的影響

對稱開挖同樣采用分步開挖的模式，按照工況，做好支護樁后，第一步開挖至-1 m，施做冠梁及鋼管內支撐，第二步開挖至-3 m，第三步開挖至-5 m，第四步開挖至底。圖5和圖6為開挖至底時周邊土體的水平位移和豎向位移情況。

圖5 對稱開挖至底時周邊土體水平位移云

從圖5和圖6中可以看出，對稱開挖在最不利工況下開挖到底時，造成既有鐵路的最大水平位移為5 mm，最大豎向位移為11 mm。

此可見在鐵路一側開挖時，既有鐵路的沉降值較小，兩側對稱開挖時，既有鐵路的水平位移較小。即兩基坑對稱開挖時比不對稱開挖時能更好的控制鐵路的水平位移，不對稱開挖比對稱開挖時能更好的控制鐵路的豎向位移。

圖6 對稱開挖至底時周邊土體水平位移云

4 結論

隨著下穿鐵路斜交框架橋的日益增多，選用簡單、合理的計算方法正確分析其施工對既有鐵路造成的影響，對斜交框架橋的設計有很重要的意義。利用MIDAS有限元軟件建立斜交框架橋的三維空間模型，能有效模擬框架橋施工對既有鐵路的影響，為類似工程的施工提供可靠合理的參考。

[1] 劉遠亮.基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響的Midas GTS三維數值模擬分析[J].巖土工程,2013,40(1):70-72.

[2] TB 10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3] 凌海明.收縮徐變對鋼管混凝土拱橋力學性能影響分析[J].山西建筑,2010,36(27):339-340.

[4] 周家新.下穿鐵路斜交框架橋的空間結構分析[J].鐵道建筑,2005(7):31-33.

趙海粟(1982～)，男，本科，工程師，從事巖土工程勘察、設計、施工工作。

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[定稿日期]2017-03-03