交叉公路下穿式U型船槽结构受力分析

（中铁二十二局集团第一工程有限公司，黑龙江哈尔滨 150000）

我国城市规模进一步扩张，公路铁路立体交叉建设逐渐增多，交通基础设施由平面的交叉设计向立体的交叉设计发展。城市下穿式通道因占地面积小、造价经济等优势而日益显示其优越性[1]。

当新建市政公路存在穿越既有铁路情况时，越来越多的工程以路堑下钻的方式完成施工。当下穿式结构的承载力不足，可能造成上部路面出现垮塌的危险。为了满足安全性和稳定性的要求，下挖路堑沿线地下水水位较高时，通常采用U型船槽结构以解决防水问题[2]。

近年来，越来越多的国内外学者对下穿式道路进行结构形式的研究，如史学平、刘宝权、成永旭等学者分析并完善了该种道路的结构形式[3-5]。U型船槽结构这种较新的结构形式，主要由边墙和底板两部分组成，与混凝土道路相似[6-7]。由于其在变形、刚度、稳定性及防水效果等方面有优秀表现，U型船槽结构被广泛应用于铁路的下穿通道设计、路堑工程等市政工程[8-10]。

工程中由于U型船槽施工完成后其本身受到周围土体的压力和上部列车荷载的复杂作用，其稳定性问题直接关系铁路运营的安全，目前U型船槽难以找到成熟及完善的规范指导分析，通常采用半理论半经验的方法，增加了下穿式结构发生事故的风险[11-12]。

本文在原有理论和研究方法基础上，通过Midas/Civil有限元分析软件综合考虑周围土的侧压力、地下水作用及上部交通荷载等因素对结构的影响，对某下穿铁路立交桥U型船槽进行模拟分析。

1 下穿式U型船槽断面计算模型

1.1 U型船槽断面力学模型

框架结构的地道桥在力学模型建立时，可将地基看作为半无限弹性地基，并利用弹性链杆表示；框构地道桥，其单孔、双孔、三孔、四孔结构形式均可将其看作为由板单元（薄板或厚板）构成的结构体系，并将其支承在弹性地基上。这种超静定问题的空间结构受力情况比较复杂，如何选取计算单元决定了断面和受力形式。

《铁路桥涵混凝土结构设计规范》（TB 10092—2017）中规定，框架桥结构可以参照刚架，截取b=1 m的单元[13]。

根据以往设计工程经验，为适应随深度增加而增大的边墙外土压力和水压力的共同作用，边墙采用随深度的加大而增大截面尺寸的方法。

U型槽底板断面通常采用矩形，依据挖深情况和水位高度确定底板厚度。采用弹性地基梁中的梁与地基共同作用的受力模型计算底板，较好的符合板与地基完全接触的实际情况。可采用文克尔地基模型、郭氏表法对梁与地基共同作用的情况进行计算，郭氏表法计算范围受到限制，仅可用于计算作用了荷载的单跨梁，文克尔地基模型应用较为广泛，可计算不同荷载组合的单跨梁、不同支撑条件及荷载组合的多跨梁。

比较两种方法，同本项目的实际条件相结合，因此，采用文克尔法地基模型进行计算分析。

1.2 U型船槽断面受力形式

U型槽边墙可简化为固定于底板上的悬臂梁模型，主要分析其自身重力、边墙受背水压力土压力。由于基坑所在黏性土层渗透性较低，因此，基坑内外水位差较大时，两侧边墙外侧可按照静水压力考虑，不考虑渗流的影响。如果边墙墙顶外存在辅道，将辅道汽车荷载使用均布土柱替代荷载。

U型槽底板可简化为支撑于地基上的地基梁模型，按弹性地基梁进行计算，将其作为考虑地基变形的无穷多次超静定结构。作用在弹性梁上的荷载除了结构自重、边墙背侧配重、地基反力、浮力外，还包括边墙传至底板的弯矩、剪力和竖向力及行车荷载等。

U型槽结构的断面尺寸和材料容重可计算出底板自重及边墙背侧配重，作用在边墙底部的弯矩可考虑为底板的集中弯矩施加在结构上。考虑结构整体性，边墙与底板连接处视为刚性连接。基于以上分析，本项目U型船槽断面计算模型如图1所示。

图1 U型船槽结构计算模型

2 U型船槽有限元模型建立

2.1 网格划分

在Midas/Civil中对边墙和底板赋予尺寸及材料性能，模型采用梁单元建模，对纵向进行网格节段划分，分为10段，并进行变截面的处理。

边墙及底板尺寸及材料性能如表1所示。

表1 边墙及底板尺寸及材料性能

2.2 边界条件与荷载

模拟实际工程情况，在挡墙底部进行固结处理，施加全约束。底板可作为弹性地基梁，在其下侧放置仅受压弹簧，由于结构整体的对称性，两端做铰接处理。

验算各点的竖向位移，当某点的竖向位移向上时，除去该点的弹簧约束。

模型受到重力的作用，重力系数为9.8 m/s2，边墙水压力及静止土压力取用梯形均布荷载、三角形均布荷载，转化为等效的线荷载施加到边墙上[14]。

底板受到向上的水浮力均布荷载43.1 kPa和向下的路面荷载、车辆荷载、槽内填土合力的等效均布荷载40.8 kPa。

整体有限元模型如图2所示。

3 结果分析

3.1 边墙结果分析

边墙受力形式与受弯构件基本一致，最大主应力出现在边墙外侧根部。

从边墙应力可知，应力分布规律为从外侧到内侧，从拉应力向压应力逐渐过渡。数值从2.25×102kPa逐渐减小至0，与计算结果趋势一致。

从边墙位移可知，水平向变形是结构变形的主控项，由于作用在边墙上的力主要为土压力、水压力，墙顶最大变形5.67×10-3m，不超过L0/250，符合混凝土规范要求。挡墙结构仅在底部添加了边界条件，相当于悬臂结构，以受弯为主。

边墙应力图如图3所示，边墙位移图如图4所示。

图2 整体有限元模型图

图3 边墙应力图（单位：kPa）

图4 边墙位移图（单位：m）

3.2 底板结果分析

底板的应力在边墙与底板连接处的外侧压应力最大，数值为4.37×102kPa，中间拉应力最大，值为2.18×102kPa。

从底板变形可知，底板中心向下变形，为2.19×10-3m，两边与边墙相连处受到边墙变形的影响，受到向上的拉力，位移为4.42×10-3m，符合受力规律。

底板应力图如图5所示，底板位移图如图6所示。

图5 底板应力图（单位：kPa）

图6 底板位移图（单位：m）

4 结语

目前，我国交通运输网发达，对平改立项目的需求增大，在下穿工程中广泛应用U型槽结构。以某下穿公路与铁路交叉通道项目为研究对象，对其U型槽结构在土体侧向压力、地下水作用及上部交通荷载等作用下的受力特点进行分析。

（1）使用Midas/Civil软件建立有限元模型，结合数值模拟计算结果，表明本工程断面形式合理。

（2）通过对有限元模拟进行分析，边墙结构最大位移值为5.7 mm，符合混凝土规范要求的不超过L0/250的要求。

（3）底板计算方法采用弹性地基梁法，计算结果与实际情况基本符合，0.64 m厚底板可保证符合U型船槽结构的应力和变形要求。