高速公路棚洞结构在不同工况条件下构件受力机理分析论文_谭祖军

广东省公路建设有限公司 510623

摘要：本论文以江罗高速公路K30+597～K30+720段左线金中山棚洞为背景，针对拟推荐方案采用抗滑桩+棚洞结构的支护体系，研究分析棚洞结构在不同工况条件下构件受力机理。

关键词：棚洞；工况；数值模拟

一、前言

江罗高速在金中山路段受路线右侧S273省道及路线选线的影响，该段左线右侧出现高边坡，若采用路堑方案，按照放坡开挖，边坡高度将达到72米左右，开挖、防护工程量较大，人为痕迹明显，对环境破坏较大，且不利于营运后的边坡维护及运营安全。从降低边坡高度、减少开挖及防护工程量、环境保护和营运安全等角度综合考虑，在K30+597～K30+720段左线设置金中山棚洞一座，全长123m。

根据拟推荐方案采用抗滑桩+棚洞结构的支护体系，抗滑桩既为边坡的主要支挡措施，又是棚洞结构的主要组成部分，将棚洞结构与边坡支挡有效地结合起来，充分发挥棚洞结构的支挡作用，减少边坡刷坡范围，并且在保证边坡稳定的前提下，节省工程造价。棚洞采用半拱斜柱型结构，斜柱中心间距10m，净距8.6m，共设置斜柱16根，斜柱底为整体式现浇钢筋混凝土仰拱。

二、棚洞结构在不同工况条件下构件受力分析

（一）计算模型的确定

本次计算采用MIDAS-GTS有限元软件，采用荷载—结构法进行二维模型仿真计算，按照施工阶段的顺序，根据棚洞结构的施工流程，棚洞结构主要有三种受力工况：

工况一：抗滑桩施作完毕后，抗滑桩上部土体开挖及桩间挡板施作阶段。

该种工况下，抗滑桩此时从上往下前8m为悬臂结构，受到边坡侧水平荷载作用，计算模拟的工况按照纵向10m荷载作用取值，相邻抗滑桩间距5m，相当于两根抗滑桩承力，截面尺寸为2.0m（高）×3.0m（宽），抗滑桩承受边坡纵向10m范围内土体的水平推力，抗滑桩悬臂端根部最大水平力为emax=（9×h-9）×10=420kN*m，埋入土体段抗滑桩水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，抗滑桩底部采用铰接约束。

图1 工况一荷载及边界约束情况

工况二：抗滑桩、棚洞桩基础、斜柱、托梁、顶板浇筑完毕后，抗滑桩下部土体开挖及桩间挡板施作阶段。

抗滑桩此时从上往下前18m为悬臂结构，受到边坡侧水平荷载作用，计算模拟的工况按照纵向10m荷载作用取值，相邻抗滑桩间距5m，相当于两根抗滑桩承力，截面尺寸为2.0m（高）×3.0m（宽），抗滑桩悬臂端根部最大水平力eMAX=（9×h-9）×10=1530kN*m，埋入土体段抗滑桩水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，抗滑桩底部采用铰接约束；斜柱侧桩基水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，抗滑桩底部采用铰接约束。

工况三：抗滑桩、棚洞桩基础、斜柱、托梁、顶板及地系梁浇筑完毕后，棚洞顶部回填及绿化阶段。抗滑桩此时从上往下前18m为悬臂结构，受到边坡侧水平荷载作用，计算模拟的工况按照纵向10m荷载作用取值，相邻抗滑桩间距5m，相当于两根抗滑桩承力，截面尺寸为2.0m（高）×3.0m（宽），斜柱截面尺寸为1.4m（高）×1.4m（宽），桩基础截面尺寸直径D=2.0m，顶板厚度H=0.8m，地系梁截面尺寸为1.0m（高）×1.0m（宽）。抗滑桩悬臂端根部最大水平力eMAX=（9×h-9）×10=1530kN*m，埋入土体段抗滑桩水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，抗滑桩底部采用铰接约束。棚洞结构受到上部回填梯形荷载作用，eMIN=（20.5×0.5）×10=100kN*m，eMAX=（20.5×2.1）×10=100kN*m。斜柱侧桩基水平方向两端均采用仅受压的弹簧单元约束，抗滑桩底部采用铰接约束。