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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流地基空洞对框架式地道桥结构的影响.精品文档.地基空洞对框架式地道桥结构的影响2003年l2月第2l卷第4期长沙铁道学院JOURNALOFCHANGSHARAILWAYUNIVERSITYNo4Dec.2003文章编号:100024992003)040006-06地基空洞对框架式地道桥结构的影响肖丹,文雨松(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘要:建立了地道桥与地基空洞的静力,动力模型,并进行非线性有限元计算.考察地基空洞对框架式地道桥受力状况的影响,分析了由地基空洞引起的框架式地道桥裂缝的发生机理,为框架式地道桥的设计,施工和裂缝防
2、治提供了参考和依据.关键词:框架式地道桥;地基空洞;静动力分析中图分类号:U441.4文献标识码:AStaticandDynamicAnalysisoftheInfluenceofHoleinFoundationuponFrametypeTunnelBridgeXIAODan.WENYusong(CollegeofCivilandArchitecturalEngineering,aH410075,China)Abstract:Throughthestaticanddynamiccalculation,ononehand,thispaperanalygestheinfluenceofthehol
3、einfoundationuponframetypetunnelbridge,andclarifiestheformationmechanismofthecrackofframetypetunnelbridgecausedbythefoundationshole.Ontheotherhand,thispaperpmvidessomeusefulreferencefortheframetypetunnelbridgesdesign,constructionandthepreventionorrepairofthecrack.Keywords:tunnelbridge;holeinfoundati
4、on;staticanddynamicanalysis随着我国交通运输事业的发展,为满足铁路与公路高速,安全行车的要求,铁路,公路平交道口被大量地改为立体交叉,其形式多采用以顶入法施工的框架式地道桥.在现有铁路线下采用顶入法对地道桥进行施工,能够最大限度地避免对铁路线的干扰,从而达到既保证铁路运输又节省工程造价的目的.在顶进桥体时,其端部土体应随顶随挖.顶进方向的误差往往取决于挖土的质量,而在软土地基上顶进时,由于土质松软,箱体端部会产生扎头现象,即便采取补救措施对其予以纠正,地道桥底部地基仍将无法避免地产生空洞.地基空洞的存在,势必影响地道桥的受力状况,成为影响今后地道桥运营安全的隐患.在实
5、际工程中,许多正在运营的框架式地道桥都存在着不同大小的地基空洞,其中部分地道桥在经过数年的使用后,其边墙逐渐收稿日期t20030610基金项目:铁道部科技研究发展计划项目(98G3910)作者简介:肖丹(1976一),男,湖南益阳人,中南大学硕士生第4期肖丹等:地基空洞对框架式地道桥结构的影响7出现呈八形的自底板向顶板扩展的裂缝.目前,有关地基空洞对地道桥安全运营的危害的研究较少.在此,作者采用大型有限元分析软件ANSYS对带空洞地基上的框架式地道桥进行静力,动力非线性有限元分析,研究地基局部空洞对框架式地道桥结构的影响及其边墙八形裂缝的产生机理,为框架式地道桥的设计,施工和裂缝防治提供参考和
6、依据.1计算模型与计算参数1.1计算模型以一单跨框架式地道桥为分析对象,其结构如图1所示.在有限元计算中,首先对该地道桥包括其周围土体建立计算模型.对地道桥采用ANSYS单元库中混凝土单元(so皿65).该单元可以在受拉达到一定的强度后发生开裂的现象,而当单元承受的压应力超过其抗压强度时单元会被压碎.SOLII365单元由8节点组成,每个节点具有3个方向的自由度(UX,UY,UZ),另外该单元还可以定义13种不同形式的钢筋.这种单元形式与普通的8节点线弹性单元相比较,除了具有特殊的开裂,压碎性能之外基本类似.最为重要的是,该单元可定义非线性的材料性能,混凝土可在3个正交方向开裂,压碎,塑性变形
7、和徐变等.因此,选用此种单元,能较好地模拟出地道桥在列车静载,动结构中心线图1框架式地道桥主体结构示意图(单位:f31T1)载作用下的力学变化.混凝土材料的本构关系采用多线性随动硬化(MultihnearKinematicHardening)的Mises模型l-】J.地基采用块体单元(so皿45),该单元同时适用于线弹性材料和弹塑性模型.根据地基的物理力学性质,采用弹塑性的非线性有限元法,地基材料的本构模式采用DruckerPrager(DP)模型l-2J.其本构方程为口-,+()专=k(1)i中:Jl=盯l+盯2+盯3-,2=去盯1一盯2)+(盯2一盯3)+(盯3一盯1)2sin,6cos一
8、焉盯l,盯2,盯3为主应力.ANSYS支持刚体一柔体的面一面接触单元,能较好地模拟有滑动和摩擦的地道桥与周围土体之间的相互作用.采用接触单元TARGE170和CONTA173分别模拟地道桥的接触面和土体的接触面.计算模型的边界范围按以下原则进行确定,模型所取地层的范围是:水平方向上地道桥两t_8长沙铁道学院2003焦边的长度均取桥跨的3倍为限,即计算模型的水平宽度为地道桥跨度的7倍;垂直方向上,地道桥底板以下的距离为桥高的3倍.1.2计算参数该模型各材料物理力学参数如表1所示.表1计算模型各材料物理力学参数建立地基无空洞计算模型,并假设地道桥中部地基存在满跨矩形空洞,分1.0,1.5.2.0,
9、2.5,3.0m等各种宽度,建立地基有空洞计算模型.2静力分析2.1地基空洞对地道桥结构应力的影响根据铁路桥涵设计基本规范(1Bl0oo2.199,以下简称桥规)关于桥涵设计荷载之规定,就地道桥受最不利荷载组合情况对上述计算模型进行静载计算.图2为应用ANSYS在地道桥在地基无空洞,有3m空洞情况下计算得到的第1,第2主应力等值线对照图;第3主应力为压应力,其值与混凝土的极限抗压强度相比较小,故未作考察.(a)地基无空洞时边墙外侧第2主应力(0)等值线图(c)地基无空洞时底板顶面第2主应力(0)等值线图ANSYS7.1A=一312972B=一234416C=一155859D=一773o3tE=
10、1253F=79810G=158366H=2369221=315479ANSYS7.1A=_479839B=一355198C=一230557D=一l05917E=18724F=143365C=268006H=392647I=517288(b)地基存在3m宽空洞时边墙外侧第2主应力(0)等值线图(d)地基存在3m宽空洞时底板顶面第2主应力(0:)等值线图ANSYS7.1A=-324840B=一243488C=-162136D=一8o784意.十E:567.484应力方向F819G=163271H=244623I=325975ANSYS7.1A=一617837B=_450070C=-2823O2D
11、=一114535右E:53233应力方向F210G=388768H=556535I=724303图2地基有,无空洞情况下地道桥主应力等值线图(单位:Pa)表2所示为在地基无空洞,有3m宽空洞情况下,地道桥各部位主应力极值的相应变化.计算表明,地道桥底部地基空洞对地道桥顶板的主应力分布影响不大,而对边墙及底板的主应力分布产生了显着的影响:底板及边墙在空洞两侧出现了明显的应力集中(见图2).表2表明:与地基无空洞情况相比,地基存在3m宽空洞的地道桥的顶板,边墙,底板的第第4期肖丹等:地基空洞对框架式地道桥结构的影响91主应力发生不同程度地减小;而底板和边墙的第2主应力则出现不同幅度的增长,尤其是底
12、板第2主应力,其增幅达到39.4%.底板第2主应力(:)随着地基空洞的增大,其值呈大幅度增长.表3为地基存在不同宽度空洞与地道桥底板第2主应力值,位置的变化关系.裹3正常使用荷载作用下地道桥底板第2主应力(02)与不同宽度空洞关系对应裹由表3可以看出,地道桥底板的第2主应力值随着地基空洞宽度的增大,其值急剧增大.2.2地道桥静力模型受地基空洞影响分析考察以上地道桥静力模型的计算结果可知:1)由地基空洞引起地道桥底板及边墙主应力变化是导致地道桥产生八形裂缝主要原因.地基空洞的存在对地道桥边墙和底板的主应力产生了显着影响.2)由地道桥空洞引起的地道桥底板及边墙第2主应力()的变化是地道桥产生八形裂
13、缝的直接原因.虽然在地基有,无空洞的情况下,地道桥顶板底面和底板顶面第1主应力(最大拉应力)均已超过混凝土的极限抗拉强度(地道桥一般由C25号混凝土浇注而成,据桥规,10长沙铁道学院2003年其极限抗拉强度为2.02MPa).但由于在框架式地道桥的设计计算中,通常只考虑框架横截面单位宽度的受力情况,使得地道桥横截面方向的配筋较为保守,纵截面方向的配筋则相对薄弱;裂缝宽度与使用荷载作用下的钢筋应力大小有直接关系,钢筋应力愈大,则裂缝愈宽.因此,在正常使用荷载作用下,虽然地道桥顶板和底板混凝土在第1主应力的作用下已产生了沿框架纵向的裂纹,但由于地道桥横向配筋较为充分,限制了混凝土裂缝的进一步发展.
14、同时,地基空洞的存在,使地道桥顶板和底板的第1主应力均有不同程度的减小,进一步削弱了地道桥框架纵向裂缝的扩展能力.地道桥底板和边墙的第2主应力(:)虽然未达到混凝土的抗拉极限强度,但考虑到地道桥在使用年限内将承受列车多次重复荷载作用,致使昆凝土承受重复应力,且随着应力重复次数的增加,其内部损伤不断增加,以致混凝土承裁能力下降,因此必须对地道桥进行动载疲劳验算.3动载疲劳分析3.1地道桥混凝土抗拉疲劳破坏理论桥梁的疲劳破坏一般采用Miner线性累积损伤理论,认为桥梁的疲劳承载力与应力幅:及其相应的作用次数n有关.在整个使用期间,结构不发生疲劳破坏的条件为:一D=1(2)i=1式中,D为结构损伤度
15、;N为材料.sJ7v曲线上相应于应力幅:的抗疲劳循环次数.对于混凝土的抗拉疲劳.sJ7v曲线,采用Tepfers等给出的混凝土在等幅重复拉应力作用下的曲线公式J:S=10.0685(1一R)lgN(3)式中,S=,R=;其中:一,面为疲劳应力上,下限,为混凝土静载轴心抗拉强度.3.2地基空洞对地道桥混凝土疲劳寿命的影响以东风4机车挂C60敞车模型模拟列车对地道桥的冲击,用ANSYS分别计算列车动载作用下底板第2主应力极值点的应力变化,得到如图3所示应力脉.假定该地道桥每日通过300趟,视不同地基空洞大小情况,用雨流法计算得到底板各第2主应力极值点应力谱,再根据式(2)和(3)计算各种情况下地道
16、桥底板混凝土的疲劳损伤度D,对比其疲劳寿命,见表4.由地道桥动力模型的疲劳计算可知,地基空洞的存在对地图3东风4挂O50敞车应力脉示意图(后续车厢略)道桥底板混凝土的疲劳寿命有着很大影响.随着空洞的增大,其疲劳寿命急剧下降.也就是说,在地基无空洞或空洞较小的情况下,地道桥底板混凝土不会因疲劳而产生裂缝,若地基空洞的大小超过一定限制,地道桥在长期列车往复荷载的冲击下,其底板混凝土将产生由第2主应力引起的疲劳裂缝.受列车荷载的冲击作用,地道桥底板裂缝继续向边墙扩展.受地道桥底板裂缝的影响,边墙的应力进行重新分布.图4所示为地道桥边墙第2主应力等值线图,可见,底板裂缝将延伸至第4期肖丹等:地基空洞对
17、框架式地道桥结构的影响11边墙,并呈八形向顶板延伸.表4不同宽度的地基空洞对地道桥底板混凝土疲劳寿命的影响过去地道桥设计时未考虑地道桥纵向受力的不利状况,该方向布筋偏少,成为影响地道桥使用寿命的薄弱环节.裂缝产生后,水分将会顺缝流入,使钢筋锈蚀,一方面,钢筋因锈蚀而强度变低,导致裂缝继续扩大,延伸;另一方面,钢筋因锈蚀而体积增大,使附近混凝土破裂,剥落,加重钢筋的进一步锈蚀,导致恶性循环,最终危害地道桥的使用寿命.ANSYS7.1A:一564390B:-438894C=-313397D=一l879OlE=-62404F3093G=188589H=3140861-439582图4底板裂缝产生后地
18、道桥边墙第2主应力等值线图4结论1)在列车长年往复荷载的作用下,由地基空洞引起的地道桥第2主应力激增将导致地道桥底板和边墙出现裂缝;空洞愈大,裂缝出现愈早.2)在地道桥结构设计时,尤其在对软弱地基上地道桥进行设计时,必须考虑地基空洞这一不利情况对地道桥受力状况的影响,并有针对性地加强地道桥纵向的布筋以提高其刚度,抑制由空洞引起的地道桥八形裂缝的扩展.3)在地道桥顶进施工时,必须严格控制其方向,经常对桥体的轴线和标高进行观测,发现偏差及时采取措施纠正,以免形成地基空洞,对地道桥将来的运营安全造成危害.参考文献:1吕西林,金国芳,吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用【M.上海:同济大学出版社,l999.2钱家欢,殷宗泽.土工数值分析cM.北京:中国铁道出版社,1.991.3TvCm,P,ieis.Fatigue曲咖曲0fplain,mdi町andlightweightc0n嘣eJ.AGIJoumal,1979,76:635-652