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外壁非对称填土荷载对内支撑式敞口隧道结构内力影响研究

2024-10-14 75 上传者：管理员

摘要：针对大跨内支撑式敞口隧道结构，文章采用有限元分析方法，系统研究了单侧壁板外无填土及不同填土高度下的结构受力机制。结果表明：在单侧壁板外无填土工况(工况A)下，结构的弯矩分布与外壁双侧均衡土压工况(工况B)相比，呈现显著差异；若其余条件不变，从工况B改变至工况A,工况A无填土侧的壁板根部、底板柱脚及其附近区域受到较大影响；若依据工况B设计的结构，在左右填土不均时则可能因受力配筋不足而受损。因此，施工回填中需严格控制左右填土高差，以减小结构板各区域的弯矩极值，并降低柱对底板弯矩的影响；在两侧壁板外存在显著不平衡土压时，建议在柱脚附近采取结构加强措施。基于研究结果，按双侧均衡土压工况设计的内支撑式敞口隧道更具经济性。同时，建议填筑高度低的一侧填土与另一侧壁板外填土的高差≤0.6倍壁板计算高度，以避免壁板弯矩方向发生突变。

关键词：
公路隧道
弯矩计算
支撑式隧道
有限元分析
结构设计
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在城市地下交通建设中，浅埋隧道结构的设计扮演着至关重要的角色。传统的悬臂式U形槽结构在面临底板埋深大、侧墙悬臂高的挑战时，常因结构厚度过大而面临经济性的限制。为解决这一问题，梧州某道路工程隧道在设计上创新性地引入了内支撑式敞口隧道结构，旨在通过优化结构受力分布，实现更为经济合理的建设方案。这种设计显著减小了结构底板和侧墙的弯矩与剪力，从而允许使用更薄的板墙厚度，有效降低了工程成本。然而，内支撑、腰梁和立柱的增加也使结构的受力状态变得更为复杂。从计算分析模型角度，由平面应力状态转变为三维空间受力状态，增加了结构内力计算的难度和复杂性。因此，如何高效、准确地分析内支撑式敞口隧道结构的内力，为工程设计提供科学指导，是一个亟待解决的问题。

在隧道结构分析领域，有限元法因其在处理复杂结构受力问题时的高效率、高精度和广适用性而备受青睐[1-6]。邹涛[7]利用Autodesk Robot Structural Analysis软件，针对隧道顶板开洞的影响进行了深入研究，并探讨了横梁布置方案对结构的影响。陈卫军[8]和代坤[9]也分别通过有限元模拟，研究了半敞口隧道开洞和地铁车站结构的受力特性，进一步验证了有限元法在隧道结构分析中的有效性。特别是代坤的研究，通过三维与二维有限元模型的对比，揭示了平面模型的局限性，强调了三维模型在复杂结构分析中的必要性。

本文以梧州某道路工程隧道结构为研究背景，利用有限元软件对内支撑式敞口隧道结构进行数值模拟计算。先拟定单侧无填土工况进行计算分析，接着将单侧填土高度从0 m开始逐步地增加后计算分析。旨在探究在单侧填土至顶前提下，隧道外壁两侧不同高度的填土产生的非对称填土荷载对隧道结构内力的影响规律。研究成果将为今后类似工况下的内支撑式敞口隧道结构设计提供参考。

1、工程概况

梧州某道路工程为城市主干路，其设计全长达到4.613 km。该工程中包含下沉式隧道，为优化工程投资成本，其中敞口段隧道采用了内支撑式U型槽结构，如图1所示。该结构总长353.18 m、外宽26 m,目前已完成结构施工但尚未进行填土。基于实际需求，计划先进行单侧外壁填土至顶部，并暂时恢复该侧顶部路面的交通。为实现这一目标，需分析在原结构设计方案下，单侧无填土工况与双侧土压平衡工况之间的内力差异；进一步探讨在单侧外壁板填土至顶部的条件下，另一侧外壁不同填土高差对结构内力的影响规律。

图1支撑式敞口段隧道断面图(mm)

2、模型构建

2.1模型的建立

采用Midas GTS NX软件，对支撑式敞口段隧道进行模型构建，其中隧道结构混凝土标号为C35,本构模型采用“弹性”模型，弹性模量设置E=3.15×104MPa,重度γ=25kN/m3,泊松比μ=0.2。隧道壁板采用“2D板单元”模型模拟，支撑采用“桁架”模型模拟，腰梁和立柱采用“梁单元”模型模拟，底板、壁板与土接触侧设置“土弹簧”连接；基底摩擦作用以限制TX向位移形式模拟。隧道节段长度为L1=30m,前后腰梁悬挑2.5m,支撑间距5m,计算左右壁板高取h=9m,底板计算跨度取L=25.3m;计算模型框架横断面、网格模型及边界条件设置分别如图2～4所示。

图2模型框架横断面图(mm)

图3隧道网格模型图

图4隧道边界条件设置模型图

2.2工况设置

隧道结构所受到的荷载归结如下：结构外侧填土顶车辆荷载经填土传至外壁板的侧向压力P1、外壁填土本身自重引起的侧向土压力P2、隧道内车辆对底板的荷载P3和P4。

为更全面地对隧道结构的不同受力状态下内力分布的情况和规律进行分析，现依据隧道结构的受力状态划分为四个典型工况。

工况一：隧道内和右外壁顶地面皆有车载。

工况二：隧道内无车载，右外壁顶地面有车载。

工况三：隧道内有车载，右外壁顶地面无车载。

工况四：隧道内和右外壁顶地面皆无车载。

各类荷载情况如图5所示，具体工况设置见表1。

图5隧道结构荷载简图

表1工况设置参数表

3、模型计算结果及分析

3.1典型计算断面选取

该敞口段隧道底板和壁板弯矩横向最大数值约为纵向的5倍，故该结构的横向为主受力方向。考虑特殊性，本文选取的计算横断面位于隧道节段支撑处，具体如图6所示。

图6计算分析断面选取位置(阴影处)示意图

3.2外壁单侧填土和双侧填土压力均等工况的隧道结构变形趋势

分别建立相同工况下隧道结构单侧壁板外无填土工况(工况A)、外壁双侧均衡土压工况(工况B)模型计算，得出隧道结构的变形状态分别如图7和图8所示。

图7工况A隧道结构变形趋势示意图

图8工况B隧道结构变形趋势示意图

由图7可知，工况A时，由于内支撑式敞口隧道左右壁板外侧土压不平衡，故两壁板有向左变形的趋势，且弯矩方向基本一致；底板中间凸起部分往柱左侧(无填土侧)移动。

由图8可知，工况B时，隧道结构左右变形对称，底板跨中凸起，壁板于腰梁和根部之间往内侧凸起。

3.3各工况断面处底板和壁板弯矩计算结果分析

在隧道结构单侧(左侧)外壁无填土情况下，对上述各荷载工况进行计算，得出弯矩云图如图9所示(图9仅为工况一，其余工况趋势类似，故不在此列出)。

图9工况一隧道底板和壁板弯矩计算结果云图

整合计算断面处各工况下外壁板弯矩分布情况，其沿高度分布曲线如图10～12所示。

图10各工况下结构左壁板弯矩分布曲线图

图11各工况下结构右壁板弯矩分布曲线图

图12各工况下结构底板弯矩分布曲线图

由图10～12可知，工况一和工况二对应的曲线基本重合，工况三和工况四对应的曲线基本重合，因此隧道内车辆荷载P3和P4对隧道结构弯矩影响较小，最不利工况为工况一或工况二，即右路面存在车辆荷载P1时。

3.4外壁单侧无填土对隧道结构计算断面处弯矩的影响

根据上述分析，选取最不利的工况二再用相同方式建立结构外壁双侧均衡土压模型，选取上述计算断面，得出其弯矩分布图如图13～15所示。其中，隧道结构外壁板单侧无填土工况为工况A,外壁双侧均衡土压工况为工况B。

图13工况A和B计算断面处左壁板弯矩分布曲线图

图14工况A和B计算断面处右壁板弯矩分布曲线图

图15工况A和B计算断面处底板弯矩分布曲线图

图13显示，工况A和B在左壁板上半部分的弯矩变化趋势相似；工况A相较于工况B,壁板上半部分反弯点上移，支撑位置的弯矩最大值减少了67.8%。

左壁板下半部分，工况B出现反弯点，中部区域内侧受拉，而根部区域外侧受拉；工况A则无反弯点，且内侧全为受拉区。

两种工况在左壁板根部弯矩均为最大，但工况A的弯矩绝对值是工况B的约1.46倍。因此，工况A对于壁板根部区域弯矩影响最大，受拉压方向存在调转现象，若隧道初始时按双侧有均衡土压设计，一旦工况改变(变为壁板单侧无填土),则受拉区存在配筋不足的风险。

对于右壁板，图14显示工况B中下部为正弯矩，根部反弯点位于(0.15～0.2)h(h为总壁高);而工况A相较于工况B,弯矩方向基本一致，支撑位置负弯矩减少45.8%,但根部负弯矩约增大至工况B的3倍。

由图15可知，对于结构底板，工况B弯矩曲线相对于中轴线对称，近似马鞍形，靠近壁板区为负弯矩，其余则为正弯矩，且于柱点处数值减小至接近零；工况A条件下，弯矩曲线近似相对于中心点对称，且于柱点附近突变明显，Ⅱ1区除柱脚附近，其余皆为正弯矩，且底板端部达到最大值；Ⅱ2区则相反，且同样在底板端部弯矩最大，但该区弯矩最大绝对值是Ⅱ1的1.55倍。Ⅱ1区在工况A下，弯矩最大值相对B工况往端部方向移动，数值是工况B的约10倍；Ⅱ2区在工况A下反弯点往左移，且负弯矩最大值是工况B的约3.6倍。工况A相较于工况B,底板受拉区位置发生改变，对于底板上侧受拉区，Ⅱ1区往左扩大，Ⅱ2区往左缩短；对于底板下侧受拉区，Ⅱ1区仅在柱脚附近受拉，Ⅱ2区端部的受拉区往左扩大。由此可得，结构外壁仅有单侧填土相较于两侧均衡填土压力条件，对于底板的拉、压状态和内力数值大小影响很大，且敏感度最大；弯矩极值变化明显，特别是按原受拉、受压区分别配置钢筋，一旦工况转变为仅有单侧外壁填土，则板的受拉、受压区弯矩大小及位置发生重大改变，很容易发生配筋不足现象。

3.5隧道单侧填土至外壁顶条件下另一侧不同填土荷载对计算断面结构弯矩的影响

在隧道右侧外壁填土至顶情况下，就左侧外壁不同高度h0填土产生的荷载对弯矩的影响进行分析，选取最不利的工况二采用上述相同方式建立计算模型，得出其弯矩分布分别如图16～18所示。

图16不同h0对应的左壁板弯矩分布曲线图

图17不同h0对应的右壁板弯矩分布曲线图

图18不同h0对应的底板弯矩分布曲线图

针对左壁板，设定其计算高度为h。由图16可知，当左壁外侧填土高度h0≤3.6m(即0.4h)时，左壁板的受力状态表现为上部弯矩为负值(即壁板外侧受拉),而中下部弯矩为正值(即壁板内侧受拉);反弯点位于Ⅲ1区，且随h0增大，其位置基本不变，大致位于(2/3)h处；Ⅲ1区弯矩极值位于支撑点处，其随h0递增而增加，增加速率为+2.44kN·m/m。当左壁外侧填土高度h0>3.6m(即0.4h)时，左壁板的受力状态发生显著变化。此时，壁板中部的弯矩变为正值(即壁板内侧受拉),而其余部分的弯矩为负值(即壁板外侧受拉)。正弯矩在壁板中部、负弯矩在壁板根部达到极值。负弯矩极值随h0递增而增加，增加速率为+50.72kN·m/m,正弯矩极值则随h0递减而减小，减小速率为-2.53kN·m/m。由此可知，h0的增加，对左壁板根部弯矩(数值和方向)影响最大，当填土≤0.4h时，壁板根部内侧受拉，方向突变点位于0.4～0.6h,当h0大于突变点则壁板根部受拉区变为外侧；当h0小于突变点时，随着h0增加，根部受拉区弯矩减小；当h0大于突变点时，随着h0增加，根部受拉区弯矩增大。

由图17可知，对于右壁板，支撑点和壁板根部弯矩分别达到Ⅳ1区和Ⅳ2区的极值，随着h0递增，二者的比值由19.76降至3.53,即支撑点和壁板根部弯矩差异随h0的增加而减小。当h0≤3.6m(0.4h)时，皆为负弯矩(壁板外侧受拉);当h0>3.6m(0.4h)时，Ⅳ2区出现正弯矩(壁板中下部内侧受拉),且反弯点随h0增大而右移，根部负弯矩极值随h0递增而减小。由此可知，随h0增大，根部受拉区方向不变，配筋率可大幅度减小；当h0>0.4h～0.6h时，壁板内侧存在受拉区，该区应适当按受拉配筋。

由图18可知，对于底板，随h0增大Ⅴ1区和Ⅴ2区弯矩极值位置逐步往中轴线移；Ⅴ1区弯矩极值逐步减小，Ⅴ2区曲线逐步往上拱；两区域弯矩曲线逐步趋于隧道中轴对称；柱对跨中部弯矩曲线的影响也逐步弱化。

综上分析知，随左壁外侧填土高度h0增加，隧道壁板和底板结构弯矩分布也逐步趋于对称，以结构中轴线为参照，左半区与右半区壁板弯矩差异逐渐减小，各区域的极值逐步降低；当左填土高度>0.4h时，壁板弯矩方向及分布规律基本跟左右对撑填土工况相差不大，故为保障结构受力稳定性，左壁与右壁外侧填土高差宜≤0.6h。

4、结语

通过对支撑式敞口段隧道结构的有限元建模分析，本研究得出以下结论及建议：

(1)对比工况A和工况B,壁板和底板弯矩的分布规律和拉压状态基本不同，弯矩曲线近似关于柱脚点中心对称；无填土侧的壁板根部内侧受拉，外侧受压，另一侧壁板则相反；基于上述内力分布机理可知，若原结构按工况B的受力需求设计配筋，且无足够的安全裕量，先填一侧土，另一侧保持无填土状态，则结构易发生破坏。

(2)对于工况A,底板弯矩影响最大点位于柱脚点附近，其两侧弯矩方向相反，且差值明显。

(3)结构外壁工况A情况下的隧道结构板弯矩极大值位置一般位于板端部，且数值比工况B大幅增加，由此对结构厚度或配筋的需求也大幅增加。反之，工况B条件下结构板厚度和配筋需求较小，更经济、合理。

(4)对于结构右侧外壁填土至顶的工况前提下，随左侧外壁填土高度h0的增加，结构横断面的弯矩曲线逐渐趋于中轴线对称，结构各受拉区弯矩的极值绝对值逐步减小(支撑点除外，但其影响有限);左侧外壁根部弯矩方向的突变点和右侧外壁中部正弯矩开始出现时对应的h0数值位于0.4～0.6h;故为保障结构板弯矩方向不发生大的变化，两侧壁板外侧填土高差宜≤0.6h。

(5)本研究采用有限元分析方法，为内支撑式敞口隧道在双侧外壁非对称填土荷载条件下的结构受力分布规律提供了重要参考，并为评估工况改变后原结构受力合理性提供了计算分析依据。

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文章来源:谢明志.外壁非对称填土荷载对内支撑式敞口隧道结构内力的影响研究[J].西部交通科技,2024,(10):106-110.