整体式悬挑结构与岩土共同作用研究

刘晨光，周志祥，毛久群

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

20世纪90年代末期至今，我国高速道路的建设逐渐进入山区后，仍然侧重于道路的功能因素(安全、迅速)，沿用传统的以填挖方为主，节约工程造价的设计思想，依然不重视环境因素。因此道路的技术标准要求越高，对自然人文景观、生态环境的破坏越严重，给子孙后代留下无穷的隐患。针对这种现状，周志祥［1］、游涛，等［2］提出了一种不破坏生态环境、挖填方小、造价低、施工简单，适用于不同地形地质条件下、又允许在施工的时候车辆正常通的道路拓宽结构——整体式悬挑结构(图1、图2)。该结构已成功地应用于西藏昌都类昌路改建工程中(图3)。

从图1、图2可以看出，整体式悬挑结构是由立柱、墙体、挑梁、搭板、纵梁及锚杆联结一体共同作用的整体框架结构形式［3-4］，具有整体受力、协调变形的特点。该结构作为一种道路拓宽技术，是修建在原有山体上，立柱和墙体内侧岩土将对结构的受力产生影响，为了保证设计的合理性，需要对结构与岩土的共同作用进行研究。

图1 典型立面Fig.1 Typical elevation

图2 典型断面Fig.2 Typical sectional view

图3 工程运用Fig.3 Engineering application

1 有限元分析

为了清楚认识结构与岩土在荷载下的性能［5］，建立该结构的有限元模型进行研究。

1.1 建立有限元模型

借助计算机利用数值方法求解，利用大型通用软件ANSYS10.0对文中结构进行结构静力分析［6］。采用Solid45单元模拟主体结构与土体，材料按照各自特性，主体结构弹性模量取3×104MPa，泊松比取0.25;土体弹性模量取 20 MPa，泊松比取 0.3。

施工时立柱嵌入岩体地基，与地基形成强大嵌固端，故可以将柱底考虑成固结，立柱四周预埋钢筋，并通过后浇混凝土接头与挑梁形成固结。在挑梁与纵梁交接处，挑梁预埋钢筋通过纵梁后浇混凝土形成锚固点，锚杆在纵梁的包裹下，与挑梁钢筋连接在一起，保证了挑梁所受荷载能传至锚杆，共同受力，在锚杆点考虑成铰接［7］。挑梁长7.5 m，悬臂部分3 m，立柱高4 m，建立有限元模型如图4。

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

1.2 加载求解

根据规范规定，选择以下4种工况进行研究:①在距纵梁1.8 m处作用竖向荷载F=70 kN;②在距纵梁1.8，3.1 m处作用竖向荷载F=70 kN;③在距纵梁 1.8，5.2，7 m 处作用竖向荷载 F=70 kN;④在距纵梁5.2，7 m处作用竖向荷载F=70 kN。

分别计算以上4种工况，得出工况1～工况3的结构变形图相似，土体应力图也相似(图5)，工况4如图6。

图5 工况1～工况3结构变形和土体应力Fig.5 Structure deformation and soil stress under load condition 1，2，3

图6 工况4结构变形和土体应力Fig.6 Structure deformation and soil stress under load condition 4

从图5、图6可以看出:

1)对于挑梁底面土体:当挑梁内侧有荷载作用时，其产生土体反力，反力呈近似三角形分布(工况1～工况3)，无荷载时，产生拉力，此时可不考虑土体反力(工况4)。

2)对于立柱内侧土体:在汽车荷载作用下，由于整个立柱侧向变形很小，可以忽略，当挑梁内侧有荷载作用时，土体被挤压，无荷载时，其变形可以忽略。

2 简化计算

根据以上有限元分析，可以根据结构受力情况将计算模型简化分为以下两种情况:

1)挑梁内侧有荷载作用时，考虑挑梁底土体反力，呈三角形分布，内侧土体为被动土压力［8］，如图7(a)。

2)挑梁内侧无荷载作用时，不考虑挑梁底土体反力，立柱承受内侧土体静土压力，如图7(b)。

图7 计算简图Fig.7 Simplified computation model

对于以上两种情况，将锚杆固定端(1位置)、挑梁内侧根部(位置2)、立柱底部固定端(位置3)作为控制截面，用力法求出内力。算法如下:①输入截面尺寸，荷载信息;②判断是否有挑梁内侧荷载;③有挑梁内侧荷载按图7(a)进行计算，无挑梁内侧荷载按图7(b)进行计算;④按力法［9］选择未知量，求出各截面内力;⑤结束。

根据以上算法，用 visual c++［10］编织计算程序，程序界面如图8。

图8 程序界面Fig.8 Programm interface

3 共同作用研究

为了研究不同岩土对结构受力的影响，选取如图5的最不利工况对结构加载，F=70 kN，采用笔者提出的程序进行分析。分析岩土选择软土(E=104)、老填土(E=105)、碎石土(E=106)、砂岩(E=107)几种类型，选择土体反力，2，3位置截面的内力作为应变量。计算结果如图9。

图9 截面内力随岩土地基变化Fig.9 Variation diagram of internal force of section with the change of rock-soil foundation

图9 中，A，B，C，D，E，F 曲线分别依次为 R，M2，N2，Q2(N3)，M3，Q3。R 为土体反力;Mi为 i位置的弯矩;Ni为i位置的轴力;Qi为i位置的剪力。从图9中可看出:

1)随着岩土弹性模量的增大，R，N2增大，Q2，M2，N3，Q3，M3减小，并且 R 变化幅度最大，M3与 Q3基本重合。

2)随着岩土弹性模量的增大，R迅速减小，弹模从104变化到106时，R相对值从0.85减小到0.14。

3)随着岩土弹性模量的增大，结构内力变化趋于平缓，可见一味增大岩土弹性模量，并不是经济的。当弹模增大到一定时，对结构内力影响将很小。

4 结语

通过以上分析，可以得出以下结论:

1)简化模型将立柱底假定为固结，为保证设计的合理性，在实际工程中保证立柱基底容许承载力应大于等于0.8 MPa;

2)利用有限元软件，建立了结构实体有限元模型，较保守地对结构的整体工作性能进行研究，得出其结构与土体变形特点，将结构受力分成两种情况简化计算;

3)岩土对结构的受力性能总体来说是有利的，合理的岩土，能减小结构的内力，降低造价，实例分析证明，选用老填土和碎石土经济是可行的。

［1］周志祥.一种用悬挑结构拓宽山区道路的方法:中国，200410044492.0［P］.2004-05-15.

［2］游涛，周志祥，郑文.用边坡格构基础悬臂结构拓宽山区道路新技术［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2011，30(1):74-77.YOU Tao，ZHOU Zhi-xiang，ZHENG Wen.A new technology of widening mountain road using slop-lattice foundation［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2011，30(1):74-77.

［3］王浩，周健，邓志辉.桩-土-承台共同作用的简化分析方法［J］.岩土力学，2007，28(6):1172-1175.WANG Hao，ZHOU Jian，DENG Zhi-hui.The simplified calculation method of pile-soil-pile cap interaction［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(6):1172-1175.

［4］宰金珉，宰金璋.高层建筑基础分析与设计:土与结构物共同作用的理论与应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，1993.

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［6］刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS［M］.北京:清华大学出版社，2002:50-123.

［7］邱娟.用整体悬挑结构山区道路拓宽的探索与实践［D］.重庆:重庆交通大学，2006.

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［9］李廉锟.结构力学［M］.北京:高等教育出版社，2004:124-168.

［10］孙鑫，余安萍.C++深入详解［M］.北京:电子工业出版社，2006:219-263.