欧阳章智，王东权，于广云，岳 娜

(中国矿业大学 力学与建筑工程学院，江苏 徐州 221008)

箱型框架桥［1］是一种公路下穿式的公路与铁路立交桥，其主体结构为箱型框架，这种结构的主要优点是结构整体性好，刚度大，抗变形能力强，基底应力小，适合于地基承载力低、不均匀沉降大的地质条件。因此，常用于城市道路或公路与铁路的立交桥梁、矿区抗采动变形桥梁。

箱型框架桥混凝土和钢筋的用量过多，设计偏于安全，在整个箱型框架桥中的材料利用率比较低。目前，国内学者对箱型框架桥结构合理形式研究很少，鉴于此，本文首次提出空心型箱型框架桥，借鉴空心板桥的挖空形式，箱体顶板和侧板做成空心大板，底板做成实心大板，一方面能有效地减小实心桥体截面面积，提高其抗弯截面系数与横截面积的比值，使结构更具合理性、经济性;另一方面能有效地减小基底附加应力，保证其地基承载力的要求。基于有限元软件ANSYS，通过建立三维模型，在桥体与垫层、侧向土体、变形缝之间设置接触来模拟其共同作用，对两种箱型框架桥结构，用数值模拟研究方法在正常使用阶段的力学状态进行对比研究，得出桥体结构和周围土体的位移和最大主应力及位置，为空心型箱型框架桥的设计提供有效的依据。

1 有限元计算模型的建立

1.1 基本假设

1)框架桥箱体结构是与土介质形成一个连续或不连续的整体，两者之间存在相互作用［2］。

2)箱型框架桥采用的是钢筋混凝土结构，考虑到桥体布筋的规律性，采用力学性能等效方法将之简化为素混凝土。

3)主要考虑结构自重和列车荷载。列车活载采用“中—活载”，考虑动力系数，换算成均布荷载满布在桥面上。

1.2 计算参数

本模型材料计算参数见表1。

表1 计算参数

变形缝在计算中采用刚度弱化技术进行处理，即采用弹性模量与混凝土弹性模量之比为2个数量级的柔性材料充填变形缝。

1.3 计算模型

箱型框架桥数值模拟选用二个并列箱体，在箱体之间设置一道0.1 m厚的变形缝，桥体与土体之间设置一层0.5 m厚的砂垫层，单个箱体跨度、宽度和高度尺寸分别为10 m、10 m、8 m，顶板厚度取箱体跨度的1/10，底板厚度比顶板厚0.2 m。底板桥侧土体长度取整桥跨的3倍，桥下土体高度取桥高的5倍。空心型箱型框架桥挖空半径为0.3 m，顶板9个孔，侧板6个孔，计算模型见图1～图3。

图1 模型网格划分

图2 原型框架桥模型

图3 空心型框架桥模型

2 计算结果与分析

本文采用分步求解，先导出初应力，再将其导入的方法。在考虑重力作用的情况下，可以保证所建模型的尺寸和初始应力状态与实际情况相符。

2.1 两种结构形式和土体位移场分布对比分析

本文取两种箱型框架桥结构和土体竖向位移为研究对象。两种箱型框架桥左右箱体竖向位移变化规律一致，并且具有对称性，在此取变化较大的左箱体进行研究。见图4～图7和表2。

1)从图4～图7可以看出，土体的竖向位移随深度愈向下愈小;空心型桥体周围土体的竖向位移比原型位移小。可见，适当地减轻桥体的自重可降低土体沉降。

图4 原型框架桥周围土体竖向位移分布

图5 空心型框架桥周围土体竖向位移分布

图6 左箱涵顶板竖向位移曲线

图7 左箱涵底板竖向位移曲线

2)从表2可知，在桥体自重和列车荷载作用下，两种桥体竖向位移变化规律一致，左箱体顶(底)板竖向最大位移都发生在最右侧顶(底)板位置处，左箱体顶板竖向位移差值比底板竖向位移差值大0.02 cm左右;适当地减轻桥体的自重可降低顶板和底板的最大竖向位移。

表2 左箱体顶、底板竖向位移值cm

2.2 两种结构形式和土体应力场分布对比分析

本文选取两种箱型框架桥和土体的第一主应力分布图为研究对象。两种箱型框架桥左右箱体应力变化规律一致，并且具有对称性，在此取变化较大的左箱体进行研究。见图8～图13和表3、表4。

图8 原型框架桥周围土体第一主应力分布

表3 左箱体基底附加应力最大值 kPa

表4 桥体主拉应力最大值 MPa

1)从图8和图9可以看出，在桥体自重和列车荷载作用下，地基附加应力呈扩散分布;且由于桥体自重减轻，空心型桥体对地基作用所产生的附加应力值比原型桥体要小。

2)从表3可知，空心型桥体左箱体基底附加应力最大值比原型约减小13%。

3)结合图10、图11与表4，原型桥体最大主拉应力发生在左箱体底板内侧在跨中到左侧板之间，约为1.87 MPa;空心型桥体最大主拉应力发生在左箱体顶板左侧第二个孔上，约为2.25 MPa，空心型桥体最大主拉应力比原型约增大20%，最大主拉应力都在结构等效最大拉应力范围内。

图9 空心型框架桥周围土体第一主应力分布

图10 原型框架桥第一主应力分布

图11 空心型框架桥第一主应力分布

4)从图12可知，两种桥体第一主应力变化规律相似，空心型桥体挖孔处应力的变化幅度比较大。左箱体顶板内侧在跨中到右侧板之间存在较大的拉应力，左箱体底板内侧在跨中到左侧板之间存在较大的拉应力。

5)从图13可知，两种桥体第一主应力变化规律相似，空心型桥体挖孔处的应力变化幅度比较大。桥体左箱体两侧板的内侧存在拉压状态，受力比较小;桥体左箱体左侧板外表面全处于受拉状态;在桥体左箱体右侧板外表面大部分处于受拉状态，在竖直方向-2～-3 m之间存在压应力。

图12 原型框架桥与空心型框架桥顶板、底板第一主应力曲线

图13 原型框架桥与空心型框架桥左侧板、右侧板第一主应力曲线

3 结论

通过ANSYS有限元软件，在桥体自重和火车荷载作用下，分析得到两种箱型框架桥结构和土体的位移、应力场分布规律。本文得到以下几个结论:

1)适当减轻桥体的自重可降低桥体周围土体沉降。

2)两种桥体竖向位移变化规律一致，左箱体顶(底)板竖向最大位移都发生在最右侧顶(底)板位置处，适当减轻桥体的自重可降低顶板和底板的最大竖向位移。

3)空心型桥体对地基作用所产生的附加应力值比原型桥体要小。

4)原型桥体最大主拉应力发生在左箱体底板内侧在跨中到左侧板之间，空心型桥体最大主拉应力发生在左箱体顶板左侧第二个孔上，最大主拉应力都在结构等效最大拉应力范围内。可见，空心型桥体的结构形式是合理的。此外，在设计空心型箱型框架桥时，应该注意到桥体挖空处应力变化幅度比较大。

［1］冯卫星，王克丽.地道桥设计与施工［M］.石家庄:河北科技出版社，2000.

［2］梁红燕.顶进式下穿铁路框架桥设计［J］.铁道建筑，2009(6):22-24.

［3］朱建栋，杜守继，付功义.地道桥结构与土相互作用的有限元分析［J］.岩土力学，2004，25(增):305-309.

［4］杨功勤.地道桥结构静力与动力特性的分析［J］.工程建设与设计，2002(6):10-12.

［5］郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［6］杨洋，于广云，柏永生，等.采动对铁路桥和地表土的影响研究［J］.铁道建筑，2008(11):57-59.