鞠炳照　賈曉嬋

摘要 沭陽縣城區(qū)快速路二期工程中，松江路下穿北京南路需采用地道橋。文章以此工程為背景，對地道橋結構的下穿U型槽結構進行研究分析。分析過程中，明確了結構計算時的邊界條件、汽車荷載及水平土壓力取值方式。研究結果表明，在預設的邊界條件及荷載作用下，U型槽結構的強度、裂縫及變形滿足設計要求。整個分析過程可為類似的工程設計提供借鑒。

關鍵詞 U型槽結構;邊界條件;汽車荷載;水平土壓力;強度;裂縫;變形

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0102-03

引言

隨著社會的發(fā)展，城市人口及車輛數量呈現(xiàn)遞增式增長，城市擁堵現(xiàn)象愈演愈烈，尤其出現(xiàn)在交通量較大的平面交叉位置。為改善出行條件，城市交通建設中更多的選用立體交叉方式，以提高交叉口的通行能力。下穿式立體交叉（即地道橋）因占地較少，施工工藝簡便，被大量應用于道路與道路交叉、道路與鐵路交叉。

規(guī)劃地下快速路交通應具有前瞻性，地下快速路對改善交通擁擠狀況、升級城市地下物流系統(tǒng)的發(fā)展、改善城市環(huán)境具有深遠而重要的意義。

1 現(xiàn)實意義

（1）地下快速路建設費用相對較低。地下快速路因為較少的節(jié)點設計建造，無須花費較大費用維護復雜的信號控制系統(tǒng)，相比地鐵更具有優(yōu)勢。工程建造過程中，將環(huán)境進行貨幣化，即污染造成的損失加入總體造價中，整體造價較為合理。地下快速路建設應當早研究早規(guī)劃，堅持長期建設，只有達到相當規(guī)模才會顯現(xiàn)巨大的社會價值及生態(tài)價值。

（2）加快建設地下快速路系統(tǒng)，升級城市交通運輸方式，將城市貨運逐步轉移至地下運輸，可有效改善交通擁堵狀況。根據城市發(fā)展規(guī)則，貨運占城市交通總量比直接與城市的發(fā)展水平呈正相關。地下快速路建設可有效推進地下物流系統(tǒng)的發(fā)展，增強城市經濟發(fā)展活力。

（3）地下快速路系統(tǒng)工程與軌道交通及市政工程建設相結合，一體化設計、一體化施工，以節(jié)省投資和縮短施工周期。交通建設過程中，土方挖填及運輸以及管線臨時遷移等，都涉及較大的建設費用。將地下快速路系統(tǒng)同地下軌道交通結合，可大幅度降低成本。

雖然目前多關注于各種結構類型橋梁的建設，但應該看到，地道橋以其更為經濟的造價，足可比肩跨線橋梁的使用功能服務于社會。相比于跨線橋梁，地道橋因埋于地下，減少對車輛及行人的視線阻隔，降低了城市空間的擁擠度，因此地道橋應用前景十分廣闊。

該文針對地道橋結構中的U型槽結構進行研究。U型槽結構類似于擋土墻結構，但由于底板結構的存在，受力更為復雜。針對土的不同特性，應采用不同的方式模擬土壓力以及結構的邊界條件。

2 工程概況

沭陽縣城區(qū)快速路二期工程松江路下穿北京南路設置一座地道橋，全長659 m，敞開段為整體U型槽結構，暗埋段為單箱雙室箱體結構，標準橫斷面凈寬為2×14 m。地道橋內采用雙向6車道，保證主路車輛快速通過，兩側各設置單向雙車道輔路，達到松江路與北京南路地面平交的目的，該文著重研究地道橋U型槽結構。U型槽段按照25 m節(jié)段設計，內外面垂直設置，縱斷最低點位置，側墻凈高8.0 m，側墻及底板厚度1.2 m。

3 結構計算

3.1 主要技術參數

3.1.1 設計標準

（1）道路等級：城市快速路。

（2）設計車速：80 km/h。

（3）設計荷載：汽車荷載為城-A級。

（4）設計基準期：100 a。

（5）結構安全等級：一級。

3.1.2 主要設計荷載

（1）自重。按照混凝土容重25 kN/m3進行自重分析。U型槽內鋪裝結構等采用荷載形式計入。

（2）汽車效應。地道橋內主路采用城-A車道荷載，6車道。

地道橋外輔路引起的土壓力按照車輛荷載加載，可按下式換算成等代土厚h（m）計算[1]：

式中：γ——土的重度（kN/m3）;

ΣG——布置在B×l0面積內的車輪總的重力（kN）;

l0——側墻后填土的破壞棱體長度（m）;

B——側墻的計算長度。

側墻的計算長度B（m）按下式計算，但不應超過分段長度（25 m）：

式中：H——側墻高度。

（3）側向土壓力作用。主動土壓力、被動土壓力可采用庫侖或朗肯土壓力理論計算。作用于側墻的土壓力和水壓力，對砂性土宜按照水土分算計算;對黏性土宜按照水土合算計算。根據地勘信息，工程范圍內地質以黏性土為主，故采用水土合算方式。針對靜止土壓力、主動土壓力及被動土壓力的選擇，可參考圖1[2]。

（a）靜止土壓力 （b）主動土壓力 （c）被動土壓力

因底板水平支撐作用，側墻不產生水平位移，U型槽結構可參考圖1（a），采用靜止土壓力。根據地勘報告知，土的內摩擦角α=16°，則有K0=1?sinα=0.724。

（4）溫度荷載。初始溫度15 ℃，體系按升溫25 ℃，體系降溫?25 ℃。

3.2 計算模型

地道橋整體計算采用Midas Civil有限元軟件，采用板殼單元，側墻與底板采用固接方式?？紤]地道橋結構的側向土壓力作用及鋪裝，采用面荷載加載。汽車荷載采用車道荷載計算方式?？紤]溫度作用。

模型邊界條件處理：按照彈性地基梁設計，根據文科勒假設：地基上任一點所受的壓力強度p與該點的地基沉降量s成正比，p=ks，式中：k稱為基床反力系數，簡稱基床系數。顧曉魯等主編的《地基與基礎》（第三版）[3]，基床系數取值見表1。

實際工程經驗分析知，砂土、黏性土的彈性模量遠小于混凝土結構的彈性模量[4]。圖2以地道橋U型槽結構為例，選取了荷載標準組合作用下，不同基床系數（104～

107 kN/m3）土質對結構內力的影響[5]。分析圖表知：

（1）基床系數取值在（104～105 kN/m3）范圍內時，結構內力均勻變化。

（2）基床系數取值在（106～107 kN/m3）范圍內時，結構內力在L/8處產生突變，且內力值在L/8～L/2范圍內變化較小，說明此時土彈簧剛度過大，底板變形受影響較大，此時，不建議采用彈性地基梁法。

綜上所述，在仿真模擬過程中，針對黏土、粉土及砂土等，基床系數取值在104～105 kN/m3范圍內的，可采用彈性地基梁法，計算精度滿足要求。

因側墻較高，出于節(jié)省材料且充分發(fā)揮材料作用的目的，結構采用階梯式，側墻深度小于或等于3.0 m時，側墻厚度采用0.5 m，側墻深度大于3.0 m時，側墻厚度采用1.2 m。

4 結構分析

結構分析過程中，后期構建驗算時，應注意區(qū)分側墻與底板構件的構件屬性，以驗證兩種結構構件的不同受力特性[6]。側墻構件以受彎為主，可簡化為純受彎構件，承載能力極限狀態(tài)驗算按照《公路鋼筋混凝土結構及預應力》（JTG 3362—2018）（以下簡稱《公預規(guī)》）中5.5.2～5.5.4計算;側墻根部由于水平土壓力存在，同時需要進行抗剪承載力極限狀態(tài)驗算。底板構件除受彎外，同時受到側向土壓力引起的軸向力，故以壓、彎為主，可簡化為偏心受壓構件，承載能力極限狀態(tài)驗算按照《公預規(guī)》5.3.4、5.3.6計算。

正常使用狀態(tài)驗算時，計算由作用頻遇組合引起的開裂截面縱向受拉鋼筋的應力σss時，側墻（純受彎構件）按《公預規(guī)》式6.4.4-2計算;底板（偏壓構件）按《公預規(guī)》式6.4.4-4～6.4.4-8計算。同時，側墻應視為大懸臂結構，需驗算側墻頂部的撓度值，可依照《公預規(guī)》第6.5.2條進行計算。

由于側墻的存在，結構受力主要以橫向水平土壓力引起的彎壓為主，此時，主筋受力方向為橫橋向，隨著側墻高度降低，橫向水平土壓力降低，故主筋受力方向逐漸由單向受力轉變?yōu)殡p向受力，建議U型槽與道路接駁處鋼筋按照雙向受力板配筋設計。

選取松江路下穿北京南路地道橋為例，通過對U型槽結構進行應力分析（如圖3），可知在荷載組合作用下，側墻受力最不利位置位于側墻根部，底板受力最不利位置位于底板兩側及跨中車行道位置。

4.1 承載能力極限狀態(tài)結果分析

在基本組合作用下，進行正截面抗彎承載力驗算時，側墻根部設計內力值為Mmax=2 228.9 kN·m（抗力為

3 223 kN·m），Mmin=452.6 kN·m（抗力為3 223 kN·m）;進行偏心受壓承載力驗算時，底板兩側設計內力值為Mmax=2 055.3 kN·m（抗力為2 800 kN·m），Mmin=407.6 kN·m

（抗力為2 800 kN·m），底板跨中車行道位置Mmax=

355.5 kN·m（抗力為1 438.9 kN·m），Mmin=205.9 kN·m

（抗力為1 438.9 kN·m）。

在基本組合作用下，進行斜截面抗剪驗算時，側墻根部受的最大剪力設計值為Vmax=719.2 kN（抗力為1 684.3 kN）。根據以上結果推論，U型槽結構的承載能力極限狀態(tài)驗算通過。

4.2 正常使用極限狀態(tài)結果分析

在頻遇組合作用下，進行使用階段裂縫寬度驗算時，得到側墻根部最大裂縫0.144 mm，底板兩側位置最大裂縫0.163 mm。沭陽當地屬于Ⅱ類-凍融環(huán)境，鋼筋混凝土裂縫限值為0.2 mm。

在頻遇組合作用下，側墻結構端部最大水平位移值為16.4 mm，不超過規(guī)范中規(guī)定的最大限值H/300（H為側墻高度）。根據以上結果推論，U型槽結構的正常使用狀態(tài)驗算通過。

5 結論

（1）進行U型槽計算時，應采用靜止土壓力計算水平土壓力值，部分U型槽還需考慮結構外輔路上汽車荷載作用，此時汽車荷載為車輛荷載?；蚕禂等≈翟?04～105 kN/m3）范圍內的，可采用彈性地基梁法。

（2）通過對U型槽結構內力分析知，U型槽結構側墻根部以及底板兩側為受力最不利截面。在承載能力極限狀態(tài)下，兩者的強度滿足規(guī)范要求;在正常使用極限狀態(tài)下，兩者的抗裂性滿足規(guī)范要求。同時，在正常使用極限狀態(tài)下，側墻頂的變形同樣滿足規(guī)范要求。

參考文獻

[1]公路橋涵設計通用規(guī)范： JTG D60—2015[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司，2015.

[2]袁聚云，等. 土質學與土力學（第四版）[M]. 北京：人民交通出版社，2009.

[3]顧曉魯，等. 地基與基礎（第三版）[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[4]楊功勤. 地道橋結構靜力與動力特性分析[J]. 工程建設與設計，2002（6）： 10-12.

[5]朱建棟，等. 地道橋結構與土相互作用的有限元分析[J]. 巖土力學，2004（11）： 305-309.

[6]公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范： JTG 3362—2018[S]. 北京：人民交通出版股份有限公司，2018.

收稿日期：2022-01-13

作者簡介：鞠炳照（1990—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：橋梁與隧道工程。