李鵬浩

(蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

近年來，隨著城市交通壓力的驟增，框架橋作為一種新興的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。箱形框架橋因其整體性好[2]，剛度大、基底應(yīng)力小、抗變形能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，適合于地基承載力低、不均勻沉降大的地形[4]，因此，常用于城市道路或公路與鐵路的立交橋梁、礦區(qū)抗采動變形橋梁[5]?？蚣軜蜃鳛槌鞘兄械缆方徊婵谥饕慕Y(jié)構(gòu)形式也承受著巨大的考驗，為確保橋梁安全、經(jīng)濟(jì)、合理、正常使用[6]，需要更加了解其力學(xué)性能。

隨著城市市政橋梁跨徑越來越大，框架橋頂端覆土厚度也越來越厚，繼續(xù)深入研究框架橋在不同覆土厚度及兩側(cè)土壓力作用下的力學(xué)性能就顯得尤為重要了。一些資料表明[7]，框架橋頂上汽車荷載引起的豎向土壓力與橋上覆土厚度和兩側(cè)的土壓力有著很大關(guān)系。本文借助通用有限元軟ANSYS

詳細(xì)分析了不同工況下土壓力對框架橋的影響。

1 確定工況及荷載組合

1.1 確定工況

本文擬采用四種工況對比分析，各工況如下：

工況一：頂部覆土厚度為1米，兩側(cè)有土壓力作用；

工況二：頂部覆土厚度為1米，兩側(cè)無土壓力作用；

工況三：頂部覆土厚度為3米，兩側(cè)有土壓力作用；

工況四：頂部覆土厚度為3米，兩側(cè)無土壓力作用。

1.2 不同工況下荷載組合

（1）框架橋荷載效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)組合，且不考慮偶然效應(yīng)組合，根據(jù)《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》，荷載效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)基本組合 S=1.2×鋼筋混凝土自重+1.2×鋪裝層均布荷載+1.4×側(cè)面靜土壓力+1.4×主動土壓力+1.8×車輛荷載換算均布荷載。

（2）框架橋荷載效按正常使用極限狀態(tài)頻域組合，根據(jù)《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》，荷載效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)基本組合S=1.0×鋼筋混凝土自重+1.0×鋪裝層均布荷載+1.0×側(cè)面靜土壓力+1.0×主動土壓力+0.7×車輛荷載換算均布荷載。

（3）框架橋荷載效按正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合，根據(jù)《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》，荷載效應(yīng)按承載能力極限狀態(tài)基本組合S=1.0×鋼筋混凝土自重+1.0×鋪裝層均布荷載+1.0×側(cè)面靜土壓力+0.4×主動土壓力+0.4×車輛荷載換算均布荷載。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

為詳細(xì)計算土壓力對框架橋的影響，本文借助ANSYS軟件建立模型計算。有限元模型如圖1所示，頂板應(yīng)力云圖如圖2、3所示。

圖1 ANSYS模型示意圖

圖2 頂板跨中應(yīng)力云圖

圖3 頂板端部應(yīng)力云圖

3.2 不同工況下力學(xué)性能分析

（1）承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)模型各控制截面單位寬度彎矩及軸力如表1所示。

表1 荷載組合一下不同工況數(shù)據(jù)值

由上表可知，對比工況1、2和3、4，當(dāng)頂板覆土厚度相同時，頂板跨中彎矩減小，端部彎矩增大；而側(cè)墻的跨中和端部彎矩均增大。對比工況 1、3和 2、4可知，覆土厚度增加時，框架橋頂板及側(cè)墻彎矩均大幅增加。由軸力數(shù)據(jù)可知，軸力只與覆土厚度有關(guān)與側(cè)墻土壓力無關(guān)。

（2）正常使用極限狀態(tài)頻域組合時，結(jié)構(gòu)模型各控制截面單位寬度彎矩及軸力如下表2所示。

表 2可知，覆土厚度增加時，軸力和彎矩均急劇變大?？蚣軜騼蓚?cè)有土壓力作用時，頂板跨中彎矩減小，端部彎矩增加；側(cè)墻彎矩變化不明顯但端部彎矩明顯增大。軸力只與覆土厚度有關(guān)而與側(cè)面土壓力無關(guān)。

表2 荷載組合二下不同工況數(shù)據(jù)值

（3）正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合時，結(jié)構(gòu)模型各控制截面單位寬度彎矩及軸力如下表3所示。

表3 荷載組合三下不同工況數(shù)據(jù)值

分析表 1、2、3可得，當(dāng)覆土厚度增加時，頂板及端部彎矩急劇增大，軸力也明顯增大。當(dāng)覆土厚度一定時，分析荷載組合可忽略汽車荷載的作用，因為框架橋頂部土壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽車荷載，故可忽略不計。表 4-6的理論計算，可為框架橋的設(shè)計和施工提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié)語

以往關(guān)于框架橋的文獻(xiàn)，大都主要分析地基土質(zhì)對承載能力的影響，這樣難免過于理論，無法對設(shè)計工作者提供一定的設(shè)計依據(jù)。本文結(jié)合框架橋的受力特點(diǎn)，總結(jié)前面的不足，借助ANSYS軟件建立有限元模型，分析框架橋在各種荷載作用下的力學(xué)性能。結(jié)果表明框架橋頂板以及側(cè)墻均以負(fù)彎矩為主要控制指標(biāo)，覆土厚度增加時，框架橋頂板及側(cè)墻彎矩和軸力均明顯增加；當(dāng)框架橋頂部覆土厚度達(dá)到3m及以上時，甚至可以忽略上部車輛荷載對其的影響。橋兩側(cè)的土壓力使頂板跨中彎矩減小，端部彎矩增大；而側(cè)墻的跨中和端部彎矩均增大。通過分析框架橋在土壓力作用下的力學(xué)性能，同類工程中框架橋的設(shè)計和施工均具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1] 苑國強(qiáng).組合框架橋沉陷及安全狀態(tài)監(jiān)測與評估研究[D].中國礦業(yè)學(xué),2014:1-2.

[2] 馬鵬.新型組合框架橋節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方法及受力性能的研究[D].北方工業(yè)大學(xué),2017:1-4.

[3] 羅杰,王東權(quán),于廣云,歐陽章智.空心型箱形鐵路框架橋的力學(xué)性能分析[J].世界橋梁,2012,40(1):60-64.

[4] 歐陽章智,王東權(quán),于廣云,岳 娜.空心型箱型框架橋力學(xué)特性有限元分析[J].鐵道建筑,2011,4:9-12.

[4] 王燦,朱新實.雙曲拱橋病害原因分析及處治對策的研究[J].公路,2002,23(11):

74-76.[5] 朱建棟,杜守繼,付功義. 地道橋結(jié)構(gòu)與土相互作用的有限元分析[J].巖土力學(xué),2004,25(增):305-309.

[6] 鄭彥朋.型鋼混凝土框架橋受力特性與設(shè)計方法的研究[D].北方工業(yè)大學(xué),2016:1-2.

[7] 李家穩(wěn).地道橋設(shè)計和施工[M].北京：中國鐵道出版社,2011.