大跨径斜交地下通道设计与分析

 大跨径斜交地下通道设计与分析

李雨株

中兵勘察设计研究院有限公司；身份证号：142602198905241541

摘要：某地区采用大跨径地道方式跨越河道两侧滨河路。为分析其结构模式，运用Midas有限元软件，从顺桥、横桥向方向分别研究该斜交地下通道桥的结构的受力特点，得到以下结论：斜交地下通道计算时应同时考虑顺、横桥向的双向受力；顶底板受力模式不同，应分别计算进行配筋，且结构最大弯矩在钝角位置有集中现象，设计中应重点予以关注。

关键词：斜交地下通道；有限元模型；受力分析

0  引言

城市跨河桥梁经常需要解决跨河主桥与两侧滨河路交叉产生的交通困扰，解决的办法之一就是采用地下通道结构[1-2]。

其由顶板、底板、边板(对多跨连续地道桥，还包括腹板)组成，各板在交接处均刚性连接，形成推力的自身平衡。即底板既作为整个结构的基础，又可同时承受外加荷载(多为公路车辆荷载)，且对基础的承载力要求、对土的压缩、沉降要求都不高

大跨径斜交地下通道在恒活载作用下产生弯、剪、扭组合作用，故其受力模式较为复杂。且地下通道作为典型的空间板体结构，一般的梁单元模型无法满足结构的有效计算[3]。

采用三维有限元模型计算方法，利用板单元建模，对大跨径斜交地下通道的内力变化特点进行分析，尤其考虑地顶板钝角、锐角位置的受力特点，所得结论有助于引导并明确地下通道的设计思路[4]。

1  项目概况及三维有限元模型

1.1项目概况

本文依托项目主桥采用非对称独塔斜拉桥结构，

因主路与两侧堤顶路斜交角度较大，受条件限制，堤顶路下穿主路采用斜交地下通道结构。

地下通道与主路斜交角度为56°，通道总长度57m，横断面全宽为22.2m。

1.2地下通道尺寸及参数选择

（1）结构尺寸

顶底板高1m，外侧腹板厚0.8m；为增加地道内部的通透性，地道中墙采用柱式结构，柱子尺寸为0.6m（横向）x0.8m（纵向），净距为3m。

（2）计算参数

竖向土压力：填土高度范围为0.9-1.5m，土压力大小为17.1-28.5 kN/m2；

水平土压力：侧墙结构上缘19 kN/m2，侧墙结构下缘85.7 kN/m2；

活载：考虑顶板上顺桥向与底板上横向桥车道与人群荷载；

温度荷载：设成桥温度为10°；升温30°；降温-20°；

约束：基底系数取8000 kN/m4。

横断全宽为22.2m，横断面组成：0.8m（侧墙）+2.2m（人行道）+0.6m（中墙）+15.0m（行车道）+0.6m（中墙）+2.2m（人行道）+0.8m（侧墙）。

1.3模型的建立

三维Midas板单元模型及单元划分如图1所示。

图1 板单元模型图

2  有限元计算结果分析

分别研究顶板、底板、侧墙的受力情况，分析其在顺桥向（上跨主桥行车方向）与横桥向（地道中车辆行车方向）内力结果。

2.1 通道顶板承载能力计算

图2 顶板顺桥向单位宽度弯矩图(单位:kN·m/m)

由图2可知，顺桥向弯矩结果同3跨连续梁桥基本一致。

单位宽度最大负弯矩值位于两端部截面靠近钝角侧墙位置，Md=-3469kN·m；单位宽度最大正弯矩值位于两端部截面跨中偏钝角位置，Md=1028kN·m。

图3 顶板横桥向单位宽度弯矩图(单位:kN·m/m)

由图3可知，单位宽度最大负弯矩值位于中跨偏锐角内墙位置，Md=-1735kN·m；单位宽度正弯矩主要位于跨中截面，Md=550kN·m，但在内墙偏钝角位置会有弯矩突变，最大正弯矩为838 kN·m。

2.2 通道底板承载能力计算

图4 底板顺桥向单位宽度弯矩图(单位:kN·m/m)

由图4可知，底板顺桥向弯矩结果同三跨连续梁桥基本一致，弯矩方向与顶板相反。

单位宽度最大正弯矩值位于两端部截面靠近钝角位置立柱附近，Md=3502kN·m；单位宽度最大负弯矩值位于两端部截面跨中偏钝角位置，Md=1009kN·m。

图5 底板横桥向单位宽度弯矩图(单位:kN·m/m)

由图5可知，底板横桥向弯矩趋势与顶板一致，方向相反。单位宽度最大正负弯矩值位于中跨偏锐角侧墙位置，Md=1643kN·m；单位宽度最大负弯矩主要位于跨中截面，Md=-475kN·m，但在侧墙偏钝角位置会有弯矩突变，最大负弯矩为-753 kN·m。

2.3 通道侧墙承载能力计算

单位宽度最大负弯矩的组合设计值位于端部截面靠近钝角边板底部位置，Md=-415kN·m；单位宽度最大正弯矩的组合设计值位于侧墙中间截面跨中位置，Md=200kN·m。

3  结论

本文采用midas有限元软件建立三维板单元模型，分析了大跨径斜交地下通道的受力特点，结果如下：

（1）大跨径斜交地下通道应考虑顺、横桥向双向受力，其顶、底板受力趋势一致，方向相反。

（2）顶、底板的设计中应特别注意钝角位置处结构的内力集中情况，另外在横桥向钝角位置，顶、底板具出现弯矩突变情况，设计中可考虑配置钝角加强筋。

（3）大跨径斜交地下通道的侧墙的控制内力位置也在钝角位置，设计中应予以特殊关注。

参考文献：

[1]聂利英, 吴鸿庆. 钢筋混凝土地道桥力学特性的研究[J]. 兰州铁道学院学报, 2001.

[2]王丽,季日臣,伊新芳,谢讼诗. 斜交框架地道桥的力学特性[J]. 甘肃科学学报, 2009.

[3]谢敏杰, 某大斜交角度框架地道桥的设计与分析[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2012.

[4]张建军,宿霄男,杨阳. 基于“空间网格法”的地道箱体有限元建模方法研究. 中国市政工程, 2015