框架桥在土压力下的力学性能分析

李鹏浩

(兰州交通大学 土木工程学院， 甘肃 兰州 730070)

0 引言

近年来，随着城市交通压力的骤增，框架桥作为一种新兴的桥梁结构应运而生。箱形框架桥因其整体性好[2]，刚度大、基底应力小、抗变形能力强等特点[3]，适合于地基承载力低、不均匀沉降大的地形[4]，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[5]。框架桥作为城市中道路交叉口主要的结构形式也承受着巨大的考验，为确保桥梁安全、经济、合理、正常使用[6]，需要更加了解其力学性能。

随着城市市政桥梁跨径越来越大，框架桥顶端覆土厚度也越来越厚，继续深入研究框架桥在不同覆土厚度及两侧土压力作用下的力学性能就显得尤为重要了。一些资料表明[7]，框架桥顶上汽车荷载引起的竖向土压力与桥上覆土厚度和两侧的土压力有着很大关系。本文借助通用有限元软ANSYS

详细分析了不同工况下土压力对框架桥的影响。

1 确定工况及荷载组合

1.1 确定工况

本文拟采用四种工况对比分析，各工况如下：

工况一：顶部覆土厚度为1米，两侧有土压力作用；

工况二：顶部覆土厚度为1米，两侧无土压力作用；

工况三：顶部覆土厚度为3米，两侧有土压力作用；

工况四：顶部覆土厚度为3米，两侧无土压力作用。

1.2 不同工况下荷载组合

（1）框架桥荷载效应按承载能力极限状态组合，且不考虑偶然效应组合，根据《公路桥梁设计通用规范》，荷载效应按承载能力极限状态基本组合 S=1.2×钢筋混凝土自重+1.2×铺装层均布荷载+1.4×侧面静土压力+1.4×主动土压力+1.8×车辆荷载换算均布荷载。

（2）框架桥荷载效按正常使用极限状态频域组合，根据《公路桥梁设计通用规范》，荷载效应按承载能力极限状态基本组合S=1.0×钢筋混凝土自重+1.0×铺装层均布荷载+1.0×侧面静土压力+1.0×主动土压力+0.7×车辆荷载换算均布荷载。

（3）框架桥荷载效按正常使用极限状态准永久组合，根据《公路桥梁设计通用规范》，荷载效应按承载能力极限状态基本组合S=1.0×钢筋混凝土自重+1.0×铺装层均布荷载+1.0×侧面静土压力+0.4×主动土压力+0.4×车辆荷载换算均布荷载。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

为详细计算土压力对框架桥的影响，本文借助ANSYS软件建立模型计算。有限元模型如图1所示，顶板应力云图如图2、3所示。

图1 ANSYS模型示意图

图2 顶板跨中应力云图

图3 顶板端部应力云图

3.2 不同工况下力学性能分析

（1）承载能力极限状态结构模型各控制截面单位宽度弯矩及轴力如表1所示。

表1 荷载组合一下不同工况数据值

由上表可知，对比工况1、2和3、4，当顶板覆土厚度相同时，顶板跨中弯矩减小，端部弯矩增大；而侧墙的跨中和端部弯矩均增大。对比工况 1、3和 2、4可知，覆土厚度增加时，框架桥顶板及侧墙弯矩均大幅增加。由轴力数据可知，轴力只与覆土厚度有关与侧墙土压力无关。

（2）正常使用极限状态频域组合时，结构模型各控制截面单位宽度弯矩及轴力如下表2所示。

表 2可知，覆土厚度增加时，轴力和弯矩均急剧变大。框架桥两侧有土压力作用时，顶板跨中弯矩减小，端部弯矩增加；侧墙弯矩变化不明显但端部弯矩明显增大。轴力只与覆土厚度有关而与侧面土压力无关。

表2 荷载组合二下不同工况数据值

（3）正常使用极限状态准永久组合时，结构模型各控制截面单位宽度弯矩及轴力如下表3所示。

表3 荷载组合三下不同工况数据值

分析表 1、2、3可得，当覆土厚度增加时，顶板及端部弯矩急剧增大，轴力也明显增大。当覆土厚度一定时，分析荷载组合可忽略汽车荷载的作用，因为框架桥顶部土压力远远大于汽车荷载，故可忽略不计。表 4-6的理论计算，可为框架桥的设计和施工提供一定的理论依据。

4 结语

以往关于框架桥的文献，大都主要分析地基土质对承载能力的影响，这样难免过于理论，无法对设计工作者提供一定的设计依据。本文结合框架桥的受力特点，总结前面的不足，借助ANSYS软件建立有限元模型，分析框架桥在各种荷载作用下的力学性能。结果表明框架桥顶板以及侧墙均以负弯矩为主要控制指标，覆土厚度增加时，框架桥顶板及侧墙弯矩和轴力均明显增加；当框架桥顶部覆土厚度达到3m及以上时，甚至可以忽略上部车辆荷载对其的影响。桥两侧的土压力使顶板跨中弯矩减小，端部弯矩增大；而侧墙的跨中和端部弯矩均增大。通过分析框架桥在土压力作用下的力学性能，同类工程中框架桥的设计和施工均具有一定的指导和借鉴意义。

[1] 苑国强.组合框架桥沉陷及安全状态监测与评估研究[D].中国矿业学,2014:1-2.

[2] 马鹏.新型组合框架桥节点构造方法及受力性能的研究[D].北方工业大学,2017:1-4.

[3] 罗杰,王东权,于广云,欧阳章智.空心型箱形铁路框架桥的力学性能分析[J].世界桥梁,2012,40(1):60-64.

[4] 欧阳章智,王东权,于广云,岳 娜.空心型箱型框架桥力学特性有限元分析[J].铁道建筑,2011,4:9-12.

[4] 王灿,朱新实.双曲拱桥病害原因分析及处治对策的研究[J].公路,2002,23(11):

74-76.[5] 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.

[6] 郑彦朋.型钢混凝土框架桥受力特性与设计方法的研究[D].北方工业大学,2016:1-2.

[7] 李家稳.地道桥设计和施工[M].北京：中国铁道出版社,2011.