（中鐵二十二局集團第一工程有限公司，黑龍江哈爾濱 150000）

我國城市規(guī)模進一步擴張，公路鐵路立體交叉建設(shè)逐漸增多，交通基礎(chǔ)設(shè)施由平面的交叉設(shè)計向立體的交叉設(shè)計發(fā)展。城市下穿式通道因占地面積小、造價經(jīng)濟等優(yōu)勢而日益顯示其優(yōu)越性[1]。

當(dāng)新建市政公路存在穿越既有鐵路情況時，越來越多的工程以路塹下鉆的方式完成施工。當(dāng)下穿式結(jié)構(gòu)的承載力不足，可能造成上部路面出現(xiàn)垮塌的危險。為了滿足安全性和穩(wěn)定性的要求，下挖路塹沿線地下水水位較高時，通常采用U型船槽結(jié)構(gòu)以解決防水問題[2]。

近年來，越來越多的國內(nèi)外學(xué)者對下穿式道路進行結(jié)構(gòu)形式的研究，如史學(xué)平、劉寶權(quán)、成永旭等學(xué)者分析并完善了該種道路的結(jié)構(gòu)形式[3-5]。U型船槽結(jié)構(gòu)這種較新的結(jié)構(gòu)形式，主要由邊墻和底板兩部分組成，與混凝土道路相似[6-7]。由于其在變形、剛度、穩(wěn)定性及防水效果等方面有優(yōu)秀表現(xiàn)，U型船槽結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于鐵路的下穿通道設(shè)計、路塹工程等市政工程[8-10]。

工程中由于U型船槽施工完成后其本身受到周圍土體的壓力和上部列車荷載的復(fù)雜作用，其穩(wěn)定性問題直接關(guān)系鐵路運營的安全，目前U型船槽難以找到成熟及完善的規(guī)范指導(dǎo)分析，通常采用半理論半經(jīng)驗的方法，增加了下穿式結(jié)構(gòu)發(fā)生事故的風(fēng)險[11-12]。

本文在原有理論和研究方法基礎(chǔ)上，通過Midas/Civil有限元分析軟件綜合考慮周圍土的側(cè)壓力、地下水作用及上部交通荷載等因素對結(jié)構(gòu)的影響，對某下穿鐵路立交橋U型船槽進行模擬分析。

1 下穿式U型船槽斷面計算模型

1.1 U型船槽斷面力學(xué)模型

框架結(jié)構(gòu)的地道橋在力學(xué)模型建立時，可將地基看作為半無限彈性地基，并利用彈性鏈桿表示；框構(gòu)地道橋，其單孔、雙孔、三孔、四孔結(jié)構(gòu)形式均可將其看作為由板單元（薄板或厚板）構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系，并將其支承在彈性地基上。這種超靜定問題的空間結(jié)構(gòu)受力情況比較復(fù)雜，如何選取計算單元決定了斷面和受力形式。

《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（TB 10092—2017）中規(guī)定，框架橋結(jié)構(gòu)可以參照剛架，截取b=1 m的單元[13]。

根據(jù)以往設(shè)計工程經(jīng)驗，為適應(yīng)隨深度增加而增大的邊墻外土壓力和水壓力的共同作用，邊墻采用隨深度的加大而增大截面尺寸的方法。

U型槽底板斷面通常采用矩形，依據(jù)挖深情況和水位高度確定底板厚度。采用彈性地基梁中的梁與地基共同作用的受力模型計算底板，較好的符合板與地基完全接觸的實際情況?？刹捎梦目藸柕鼗Ｐ?、郭氏表法對梁與地基共同作用的情況進行計算，郭氏表法計算范圍受到限制，僅可用于計算作用了荷載的單跨梁，文克爾地基模型應(yīng)用較為廣泛，可計算不同荷載組合的單跨梁、不同支撐條件及荷載組合的多跨梁。

比較兩種方法，同本項目的實際條件相結(jié)合，因此，采用文克爾法地基模型進行計算分析。

1.2 U型船槽斷面受力形式

U型槽邊墻可簡化為固定于底板上的懸臂梁模型，主要分析其自身重力、邊墻受背水壓力土壓力。由于基坑所在黏性土層滲透性較低，因此，基坑內(nèi)外水位差較大時，兩側(cè)邊墻外側(cè)可按照靜水壓力考慮，不考慮滲流的影響。如果邊墻墻頂外存在輔道，將輔道汽車荷載使用均布土柱替代荷載。

U型槽底板可簡化為支撐于地基上的地基梁模型，按彈性地基梁進行計算，將其作為考慮地基變形的無窮多次超靜定結(jié)構(gòu)。作用在彈性梁上的荷載除了結(jié)構(gòu)自重、邊墻背側(cè)配重、地基反力、浮力外，還包括邊墻傳至底板的彎矩、剪力和豎向力及行車荷載等。

U型槽結(jié)構(gòu)的斷面尺寸和材料容重可計算出底板自重及邊墻背側(cè)配重，作用在邊墻底部的彎矩可考慮為底板的集中彎矩施加在結(jié)構(gòu)上?？紤]結(jié)構(gòu)整體性，邊墻與底板連接處視為剛性連接?；谝陨戏治?，本項目U型船槽斷面計算模型如圖1所示。

圖1 U型船槽結(jié)構(gòu)計算模型

2 U型船槽有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

在Midas/Civil中對邊墻和底板賦予尺寸及材料性能，模型采用梁單元建模，對縱向進行網(wǎng)格節(jié)段劃分，分為10段，并進行變截面的處理。

邊墻及底板尺寸及材料性能如表1所示。

表1 邊墻及底板尺寸及材料性能

2.2 邊界條件與荷載

模擬實際工程情況，在擋墻底部進行固結(jié)處理，施加全約束。底板可作為彈性地基梁，在其下側(cè)放置僅受壓彈簧，由于結(jié)構(gòu)整體的對稱性，兩端做鉸接處理。

驗算各點的豎向位移，當(dāng)某點的豎向位移向上時，除去該點的彈簧約束。

模型受到重力的作用，重力系數(shù)為9.8 m/s2，邊墻水壓力及靜止土壓力取用梯形均布荷載、三角形均布荷載，轉(zhuǎn)化為等效的線荷載施加到邊墻上[14]。

底板受到向上的水浮力均布荷載43.1 kPa和向下的路面荷載、車輛荷載、槽內(nèi)填土合力的等效均布荷載40.8 kPa。

整體有限元模型如圖2所示。

3 結(jié)果分析

3.1 邊墻結(jié)果分析

邊墻受力形式與受彎構(gòu)件基本一致，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻外側(cè)根部。

從邊墻應(yīng)力可知，應(yīng)力分布規(guī)律為從外側(cè)到內(nèi)側(cè)，從拉應(yīng)力向壓應(yīng)力逐漸過渡。數(shù)值從2.25×102kPa逐漸減小至0，與計算結(jié)果趨勢一致。

從邊墻位移可知，水平向變形是結(jié)構(gòu)變形的主控項，由于作用在邊墻上的力主要為土壓力、水壓力，墻頂最大變形5.67×10-3m，不超過L0/250，符合混凝土規(guī)范要求。擋墻結(jié)構(gòu)僅在底部添加了邊界條件，相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu)，以受彎為主。

邊墻應(yīng)力圖如圖3所示，邊墻位移圖如圖4所示。

圖2 整體有限元模型圖

圖3 邊墻應(yīng)力圖（單位：kPa）

圖4 邊墻位移圖（單位：m）

3.2 底板結(jié)果分析

底板的應(yīng)力在邊墻與底板連接處的外側(cè)壓應(yīng)力最大，數(shù)值為4.37×102kPa，中間拉應(yīng)力最大，值為2.18×102kPa。

從底板變形可知，底板中心向下變形，為2.19×10-3m，兩邊與邊墻相連處受到邊墻變形的影響，受到向上的拉力，位移為4.42×10-3m，符合受力規(guī)律。

底板應(yīng)力圖如圖5所示，底板位移圖如圖6所示。

圖5 底板應(yīng)力圖（單位：kPa）

圖6 底板位移圖（單位：m）

4 結(jié)語

目前，我國交通運輸網(wǎng)發(fā)達，對平改立項目的需求增大，在下穿工程中廣泛應(yīng)用U型槽結(jié)構(gòu)。以某下穿公路與鐵路交叉通道項目為研究對象，對其U型槽結(jié)構(gòu)在土體側(cè)向壓力、地下水作用及上部交通荷載等作用下的受力特點進行分析。

（1）使用Midas/Civil軟件建立有限元模型，結(jié)合數(shù)值模擬計算結(jié)果，表明本工程斷面形式合理。

（2）通過對有限元模擬進行分析，邊墻結(jié)構(gòu)最大位移值為5.7 mm，符合混凝土規(guī)范要求的不超過L0/250的要求。

（3）底板計算方法采用彈性地基梁法，計算結(jié)果與實際情況基本符合，0.64 m厚底板可保證符合U型船槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形要求。