有限元法在城市下穿隧道改造设计中的应用

施发弘，陶家清

(1.中国航空港建设第九工程总队，四川成都610000;2.中国市政工程西南设计研究总院，四川成都610000)

1 工程概况和及特点

光华下穿隧道改造工程位于成都市二环路西段，主要节点为二环路光华村路口现有下穿隧道上新建高架桥，下穿隧道全长449.071 m。下穿隧道船槽段二环路主线高架桥采用30 m跨径预应力混凝土小箱梁，基础采用承台接群桩基础，承台尺寸为8.0 m×6.25 m×2.5 m，桩基采用4根1.5 m钻孔灌注桩。框架顶桥墩扩大基础尺寸为8.8 m×6.25 m×1 m，框架内扩大基础对应平面范围填充C30混凝土。

1.1 工程特点

二环路光华村路口下穿隧道，交通十分繁忙，各种地下管线纵横交错，受交通及各种地下管线影响极大;工程主要在现有隧道船槽底板上施工桥墩及位于下穿隧道框架段内50#、51#桥墩施工，工序复杂。下穿隧道设计纵断面共设置3个竖曲线，桩号02+73.863处的竖曲线半径R=1 100 m，T=26.648 m;桩号04+74.742处的竖曲线半径为R=1 400 m，T=68.598 m;桩号06+68.934处的竖曲线半径为R=1 050 m，T=25.806 m。坡段长度分别为200.879 m和194.192 m，下穿最大纵坡度为4.9%。下穿隧道横断面设计:2×1 m边墙+2×0.75 m 边沟+2×0.25 m 车道边缘带+2×(3×3.5)m 车行道+2×0.25 m车道边缘带+1.3 m的中央分隔带=26.8 m。

2 地基承载力分析

地基承载能力分析采用ansys14进行，计算模型如图1。

图1 计算模型

计算采用solid18x系列高阶单元，共158 618个。下穿框架采用映射网格划分，均为6面体20节点单元，桥墩采用自动划分，为4面体8节点单元。

2.1 计算荷载

混凝土容重为26 kN/m3，标准重力加速度为9.8 m/s2。

上跨桥反力根据上部结构计算，单幅桥边支点为2 900 kN，中支点为2 100 kN，加载示意如图2。

图2 加载示意

2.2 计算的边界条件

根据地勘报告，框架下为卵石土，由于该框架上有两个桥墩，且两个桥墩对应框架下处于不同密实度的卵石土中，因此分别对松散卵石、稍密卵石、中密卵石建立三个模型进行计算，其地基刚度采用三种地基土对应的基床系数。计算边界条件系数选择见表1。

2.3 计算结果

当基础为稍密卵石时底面法向应力，其中底面对应承台位置处应力较大，为263 kPa，容许承载力为350 kPa，地基承载能力满足要求。

当基础为中密卵石时底面法向应力，其中底面对应承台位置处应力较大，为277 kPa，容许承载力为550 kPa，地基承载能力满足要求。

表1 计算边界条件系数

3 底板实体受力分析

3.1 计算模型

框架底板裂缝分析模型采用midas/FEA进行，模型采用DP材料模拟土，框架本身采用C40混凝土，其中顶板及侧墙采用弹性单元，底板采用裂缝特性单元。裂缝模型为弥散模型，采用总应变裂缝模型(Total Strain Crack)，计算模型如图3～图5。

图3 总体模型

图4 框架模型

3.2 计算荷载

荷载的考虑同ansys计算模型

3.3 边界条件

采用DP材料模拟，DP材料范围按6倍结构大小取值。DP材料边界采用固结，结构与DP材料之间未考虑滑移影响。对称面处采用对称约束。

3.4 计算结果

3.4.1 3D单元开裂状态见图6

图6 3D单元开裂状态

由图6可知，在底板底面对应承台边缘范围内有裂缝开展，在中墙对应底板底面有裂缝开展，在底板加厚处对应顶面有裂缝开展。

3.4.2 3D单元裂缝应变见图7

图7 3D单元裂缝应变

其中最大裂缝法向应变为1.40033×10－4，单元长度为约为0.4 m。根据弥散裂缝模型宽度计算理论估算，裂缝宽度约为0.0560132 mm。

4 框架承载力分析

采用Midas/civil建立杆系模型进行承载能力分析。混凝土材料采用C40，钢筋采用HRB335。设计活载:城－A级。

程序自动考虑组合，选择包络最大值进行验算，即结果中已考虑了偏载的情况。

计算结果显示:承载能力验算和裂缝宽度验算结果均符合要求。

5 计算结论

(1)框架地基承载力满足要求

通过收集原设计文件得知“结构基底深度处为稍密卵石层，承载力满足设计要求(地基容许承载力大于等于250 kPa)”(摘自原设计说明)，因此新建二环路高架桥后，框架段地基承载力满足要求。

(2)底板裂缝均满足规范要求

按照实体单元计算最大裂缝宽度为0.056 mm，满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62－2004)规范要求。