深梁式框架地道橋受力行為研究

鄭遠彪， 鄒 圻， 林平東

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

我國經濟的快速發展推動著交通建設的快速高效發展。當交通路網在城市內部交叉，特別是鐵路與城市道路交叉時，現代城市的人口密集、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為立體交叉成為了解決問題的思路之一，框架地道橋應運而生。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，國內學者多關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[5-6]對其受力性能的影響，為框架橋設計提供參考；而國外學者則多關注框架地道橋的動力性能[7]以及新材料[8-9]的應用可能性。

框架地道橋高跨比增加時，受力特點從普通梁向深梁轉變，即截面的正應力分布規律逐漸背離平截面假定。盡管學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，梁橫向寬度為18.5 m，橫斷面采用單箱雙室。箱內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、塑性等諸多復雜的力學行為，混凝土結構在三維條件下的力學行為一般難以準確確定，為了了解混凝土結構的力學特性，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，還應合理選用單元并對計算模型采用盡量規則的網格進行劃分。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節點三維實體單元，每個單元共有24個自由度；預應力鋼筋采用等效節點力的方法進行模擬。全橋模型共78 819個節點，58 184個單元，全橋結構離散化情況如圖3、圖4所示。

圖3 全橋結構離散化模型

圖4 全橋離散化模型(半跨)

1.3 邊界條件設定

按照本橋的設計資料，有限元模型邊界條件設定為兩端簡支，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)側向土壓力G3，考慮土體摩擦角等系數后取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 計算結果分析

2.1 相同工況下不同截面應力分布

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)關鍵點(圖6)的截面正應力進行比較，結果如圖7～圖12所示。

圖5 框架橋八等分點截面示意

圖6 距截面底部高度關鍵點選取圖示

圖7 工況一各截面正應力

圖8 工況二各截面正應力

圖9 工況三各截面正應力

圖10 工況四各截面正應力

圖11 工況五各截面正應力

圖12 工況六各截面正應力

從圖7～圖12可以看出：各工況下截面正應力在腹板高度范圍內滿足平截面假定，但在頂底板高度范圍內由于剪力滯后效應存在，其截面正應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對稱的截面的應力大小影響極小，可以忽略不計。

2.2 偏載對截面應力分布的影響

結合2.1中不同工況下截面正應力分布，選取工況四、工況五、工況六作用下，跨中截面左右兩側關鍵節點(圖13)進行偏載對截面應力的影響研究。圖14～圖16展示了三個工況下跨中截面左右兩側關鍵節點應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力(偏載側與非偏載側)之比。

圖13 研究偏載對截面正應力影響選取的關鍵點位置

圖14 工況四作用下1/2L截面兩側正應力

圖15 工況五作用下1/2L截面兩側正應力

圖16 工況六作用下1/2L截面兩側正應力

圖17 偏載下1/2L截面兩側應力比

從圖14～圖17可以看出：

(1)偏載使同一截面兩側正應力數值產生差異，但截面腹板高度范圍內仍滿足平截面假定。

(2)受剪力滯后效應影響，截面在頂底板高度范圍內不滿足平截面假定。

(3)同一截面偏載側與非偏載側截面應力分布差異以及剪力滯后效應導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，該截面兩側腹板正應力差值越大。

2.3 不同工況下截面主應力分布規律

混凝土結構局部和整體承載能力的大小主要體現為主應力大小及其分布。因此，本節將第一主應力、第二主應力、第三主應力在不同工況下的分布情況進行討論，各工況下主應力分布關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 各工況下關注截面主應力分布

各工況下關注截面的主應力分布見表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律基本一致，集中荷載、預應力筋作用位置應力稍大，截面區域部分應力分布均勻。

表2 各工況下主應力分布關注截面

2.3.2 各工況下關鍵截面主應力分布規律

表3中第一主應力、第三主應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)出現拉應力，出現拉應力的上述特征部位如圖18、圖19所示。

圖18 1/2L截面出現拉應力的特征部位

圖19 標準截面出現拉應力的特征部位

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

3 結論

(1)對于深梁式框架橋，其截面正應力在頂底板高度范圍內不滿足平截面假定，但在腹板高度范圍內仍滿足平截面假定。

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

(3)偏載作用下，截面正應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)關鍵截面正應力分布受自重、土壓力以及預應力影響較大，活載的集中荷載分布位置以及均布荷載的偏載對正應力的分布可以忽略。

(5)深梁式框架橋由于剪力滯后效應以及包括預應力在內的集中荷載作用，在截面突變的位置容易出現拉應力，應該在設計及施工中對這類特征部位進行關注，以保證工程質量。