（市政工程专业论文）城市下穿式立交桥U型槽结构的优化设计和研究.pdf

城市下穿式立交桥u 型槽结构的优化设计和研究 摘要 下穿式立交桥( 又称下穿式通道) 以其相对于其他立交桥更为经济的造价、 类似实用的功能在我国大多数城市中被广泛采用。在下穿式通道的基坑施工过 程中，为了保证安全，通常采取封闭交通措施，这样给拥挤的城市交通带来更 大的压力。 为了解决这一问题，本文根据下穿式通道的施工特点提出一种钢便桥的设 计方案，通过m i d a s c i v i l 有限元软件对该方案钢便桥进行模拟，分析钢便桥在 正常通车情况下的应力应变特征，证明该设计方案钢便桥能在保证施工安全的 条件下，维持正常的交通。 本文便桥设计方案中，以钻孔咬合桩支护结构作为钢便桥的承重结构。钻 孔咬合桩支护结构施工较方便、施工技术成熟、造价底，适用于作为城市下穿 式通道的永久支护结构。本文运用f l a c 3 d 数值分析软件模拟不同桩长、桩径 在相同基坑开挖条件下的受力和变形规律，找出合理的桩长和桩径，为咬合桩 设计提供参考依据。 在钢便桥作用下的基坑开挖工程中，基坑的变形特征不同于一般的基坑开 挖变形。本文运用f l a c 3 d 数值分析软件模拟下穿式通道在刚便桥作用下的基 坑开挖工程，分析基坑的变形特征，为制定基坑开挖安全措施提供依据。 关键词：下穿式通道；钢便桥；钻孔咬合桩；u 型槽结构；数值模拟 r e s e a r c ha n do p t i m a l d e s i g no i lu u t y p et r o u g h s t r u c t u r eo ft h eu n d e r p a s s e s t u n n e l a b s t r a c t u n d e r p a s s e st u n n e la r ew i d e l yu s e di nm o s tc i t yo fo u rc o u n t r yb e c a u s et h e y a r en o to n l ym o r ee c o n o m i c a lt h e na n yo t h e rb r i d g e s ，b u ta l s oa su s e f u l a so t h e r b r i d g e s g e n e r a l l y , i no r d e rt oe n s u r es a f e t y ，t h em e t h o do fb r e a k i n gt r a f f i co f fi su s e d t h e r e f o r et h et r a f f i ci sb e c o m em o r ea n dm o r e c r o w d i n g ，a n dt h ep r o b l e mi sb e c o i n en l o r e s e r i o u s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ，t h ep a p e rp r o p o s eap l a no ft e m p o r a r ys t e e l b r i d g ed e s i g n a c c o r d i n gt o p e c u l i a r i t yp r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ，a p p l y i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r e ( m i d a s c i v i l ) t os i m u l a t e p r o c e s so ft e m p o r a r ys t e e lb r i d g e w o r k i n g a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs t r e s sa n ds t r a i n ，t h ep l a ni sf e a s i b l e t h ep l a nc a n m a i n t a i nn o r m a lt r a f f i c a c c o r d i n gt ot h ep l a n , t h eb o r e h o l ec a s t - i n - p l a c ep i l ei st h eb a s i so ft e m p o r a r v s t e e lb r i d g e t h em e t h o dh a st h ee x c e l l e n c ec r e d i b l et e c h n o l o g y , a g i l i t ye c o n o m ya n d a d v a n t a g ec o n s t r u c t i o n , w h i c hi sv e r ys u i t a b l et ot h ep e r m a n e n tf o u n d a t i o np i tr e t a i n i n gi n b r i d g eo fu n d e r p a s s e s t h ep a p e ra p p l yf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ( f l a c 3d ) t o s i m u l a t ed i f f e r e n tl e n g t ha n dd i a m e t e rp i l e ，t h e na n a l y z ed i s c i p l i n eo fs t r e s sa n d s 舰i nt o f r e dr e a s o n a b l el e n g t ha n dd i a m e t e rp i l e t h em e t h o dc a na sr e f e r e n c ef o r d e s i 星皿趾d c o n s t r u c t i o n t h ee x c a v a t i o no ft h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i f f e r e n tf r o mt h e g e n e r a l e x c a v a t i o nd e f o r m a t i o nb e c a u s eo f t h ef o r c eo f t e m p o r a r ys t e e lb r i d g e t h e p a p e r a p p l y f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e ( f l a c 3 d ) t os i m u l a t et h ep r o c e s so f e x c a v a t i o n t h ep a p e r a n a l y s e ss u p p o r t i n gs t r u c t u r es t r e s sm a n n e ra n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s i ne a c h p r o c e s s ，c a nm a s t e rt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ea ta n ym o m e n t ，a n d p r o v i d ee f f e c t i v ea n dt i m e l yc o n s t r u c t i o ng u i d a n c e k e yw o r d s ：u n d e r p a s s e st u n n e l ，t e m p o r a r ys t e e lb r i d g e ，t h eb o r e h o l e c a s t i n p l a c e p i l e ，u t y p et r o u g hs t r u c t u r e ，n u m e r i c a lv a l u es i r e u l a t i o n 插图清单 某市下穿式通道施工安全事故1 钢便桥平面布置图一9 刚便桥的立体模型图9 全套管灌注桩单桩施工工艺流程图1 0 贝雷梁桥1 1 钢便桥模型图1 4 城市b 级标准车辆纵、平面布置1 4 城市b 级标准车辆荷载横桥向布置1 5 自重变形图15 移动荷载变形图1 6 总变形图1 6 纵梁最大弯矩分布图1 7 纵梁顶部应力分布图1 7 纵梁底部应力分布图1 8 刚便桥最大支座反力图1 8 m o h r c o u l o m b 强度准则2 2 莫尔一库仑模型中用以定义流动准则的区域2 3 开挖后的四分之一模型2 3 不同桩长基坑等值线图2 9 不同桩长下咬合桩的最大水平位移和地表最大沉降3 0 不同强度情况下咬合桩的桩项位移和底面最大沉降3 1 不同桩径情况下咬合桩的桩顶位移及地面最大沉降值3 2 不同桩径桩体所受竖直方向应力等值线图3 3 不同桩径情况下咬合桩的竖直方向最大应力3 3 咬合桩是否受竖直荷载作用3 5 第一次开挖示意图3 8 第二次开挖示意图3 8 开挖后的几何模型图3 9 模拟计算所采用的二分之一模型3 9 咬合桩桩顶受等效荷载示意图一4 0 基坑开挖桩体水平位移等值图4 3 基坑开挖桩体水平位移图4 3 基坑开挖桩体竖直应力等值图一4 4 基坑开挖竖直位移等值图4 5 0 1 2 3 4 0 0 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 l l 1 广1 2 3 4 5 6 7 8 9 l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 i - - - - - - - - - - - - - - - - _ _ - _ 一 一 - - - - - - 一 - - - 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图4 1 0开挖过程中基坑底部隆起值4 5 图4 1 l基坑外地表沉降曲线4 6 表格清单 土层物理力学参数表一2 4 基坑工程监测报警值2 9 不同桩长下咬合桩的最大水平位移和地表最大沉降3 0 混凝土计算参数值3 0 不同刚度情况下咬合桩的桩顶位移和地面最大沉降3 1 不同桩径情况下咬合桩的桩顶位移3 1 不同桩径情况下咬合桩的竖直方向最大应力3 3 咬合桩加载与不加载的比较3 5 土层物理力学参数表4 1 基坑变形控制标准4 2 开挖至基坑底部实测桩顶位移4 4 l 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3孓孓扣孓孓孓孓孓舢舡乱 表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得金起王些太堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：纨 签字日期：爻和年f 月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金胆兰些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 导师签名： 舻z 签字日期：f 年甲月彳日 嚣：就激舅磊彳都艺裂舅y “ 通讯地址房p 磊电良侈f 弓 名i 、 邮缄7 多 口。罗 熟嵋挪以 ： 甲 名 # 戤 啤 者 州 储 矽 刘 肌 论 日 位 字 学 签 致谢 值此论文完成之际，首先向我的导师臧德胜教授表示诚挚的感谢。在这两 年半的学习和生活中，他一直给予我无私的帮助、关怀、鼓励和宽容。 在论文写作过程中，导师给了我很多深入指导和帮助，并给予了许多宝贵 的意见和建议。导师渊博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的精神、一丝不 苟的工作态度，是我学习的榜样，使我终生难忘。 感谢同学叶华强、牛正军、陈光怡、汪承亮、顾永贵等给予论文写作方面 地帮助。此外，还有许多关心和帮助我的各位同学，无法一一提及，在这里对 他们表示深深的谢意。 由衷地感谢家人对我的关心、爱护、支持和鼓励，他们在生活的关心和精 神上的鼓励让我可以顺利的完成学业。 最后，我要感谢本论文的审阅人、评议人、答辩委员和答辩秘书。他( 她) 们的审核与评定是对我这几年来学习生涯的最好检验。 作者：李井超 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着我国的城市经济迅速发展，城市人口与日俱增，变通基础设施发展相 对滞后，已经满足不了城市经济发展的需求。为了解决交通基础设施落后对城 市经济发展的约束，交通基础设施已经由平面交叉向立体交叉发展。城市下穿 式通道因占地面积小，造价经济而越来越显示其优越性。 目前，城市下穿式通道的基坑开挖施工有两种开挖方式，明挖和浅埋暗挖。 采用明挖进行基坑施工，大多情况下要封闭交通。这给本来拥挤的城市交通带 来更大的压力，给人们的工作和生活造成不利的影响。采用浅埋暗挖方式进行 开挖，如果临时路面的支护措施不当，就可能造成临时路面垮塌的危险，后果 将不堪设想。比如，某市交叉口下穿式通道采用浅埋踣挖施工时，临时路面垮 塌如圉1 - l 所示，造成严重的后果。 临时路面垮塌 一辆出租车掉入塌陷区内 图1 一i 某市下穿式通道施工安全事故 为了解决上述施t 带来的不利局面，在下穿式通道基坑施工中，建造便桥 是十分必要的。建造便桥既能解决基坑施工过程中的交通拥挤问题又能解决 旆t 过程中的安全问题口】。便桥作为一种临时的交通保障措施，在满足安全性、 稳定性的同时具有临时性、快捷性、可熏复利用的特点【3 】。综合考虑便桥的 特点并结合城市下穿式通道施工的特点，本文提出一种钢便桥的设计方案。该 方案中，便桥的上部结构为型钢结构，下部结构为基坑支护结构一钻孔咬台 桩。 下穿式通道的基坑工程具有一般基坑工程的性质，又有自身的特点。研究 下穿式通道基坑工程首先要对当前基坑工程的发展现状，研究成果等进行分析 研究。基坑工程的研究发展非常迅速。土木工程师和有关学者等在对基坑工程 进行研究对，一般考虑基坑周围土的侧压力、地下水作用，以及用围建筑物对 基坑的影响。目前，基坑工程技术还没有特别成熟的、完备的技术规范指导， 通常采用半理论半经验的解决方法，这样就有可能导致基坑工程事故的发生【4 】。 本文在已有研究成果和研究方法基础上，利用数值模拟分析法，以实际工程为 背景对下穿式通道基坑开挖过程进行模拟分析，综合考虑土压力和便桥对基坑 的作用，研究下穿式通道基坑开挖过程中基坑的变形特征，分析在下穿式通道 支护结构的力学性能，为下穿式通道基坑工程设计和施工提供理论参考。 1 2国内外研究现状分析 基坑工程包括的内容很宽泛，是一项综合性工程。基坑工程施工时要综合 考虑各方面的影响因素。在建筑物或者构筑物地下部分施工时，为了保证施工 的安全要进行施工降水和基坑支护。基坑的开挖，打破了原土的平衡状态，从 而改变基坑周围的建筑物、构筑物、道路和地下管线的受力状态的，这样就可 能造成严重的工程事故。所以基坑开挖时，对基坑周围的建筑物、构筑物、地 下管线和道路进行检测和维护时至关重要的。基坑工程涉及到整个土木工程， 比如在建筑工程、水利工程、道路桥梁工程、市政工程和地下工程等等，所以 基坑工程在整个土木工程的地位是举足轻重的。 相对于地上建筑工程来说，基坑工程施工过程中存在很多不确定因素，是 一项存在相当风险性的工程。基坑工程涉及的学科很广泛，比如工程水文地质 学和土力学是研究基坑工程的基础；基础工程、结构力学以及施工监测技术是 研究基坑工程必须的理论依据和方法；支护结构和土的相互作用以及周围建筑 和基坑的相互作用研究是研究基坑工程中的重要环节。土木工程界清楚的认识 到基坑工程的理论还没有完全成熟，尚需解决的问题还有很多。 基坑工程在很多情况下是一种临时工程，是为其他建筑工程服务的，等整 个建筑工程竣工，基坑工程就会废弃或者被拆除。基坑工程的临时性决定了基 坑工程的投资经费要受到严格的控制。不同的地质条件以及不同的基坑周边建 筑环境，对基坑工程设计和施工有不同的要求。在基坑工程的设计和施工时， 要保证支护结构满足强度和刚度的要求，同时要保证基坑周边土体的变形满足 规范要求。基坑旌工过程中，对基坑周围建筑以及地下管线的监测是至关重要 的，要保证周围建筑和管线的安全。在保证安全的前提下，优化设计，既要将 工程费用降到最低又要给施工提供便利的条件。基坑工程优化设计的前提是对 已有的基坑工程设计经验和研究成果做深入细致的研究，而且要选择合适的计 算方法，借助现有的先进的设计手段。 1 2 1基坑工程国内外研究现状分析 基坑工程是一个非常古老的话题，国外的基坑工程研究的比较早，总应力 计算方法是国外学者提出的最早的分析方法【5 1 ，此方法用来预估基坑工程挖方 2 稳定和支撑荷载的大小。经过后人多次改进和修正，这种理论方法一直被应用 到今天。2 0 世纪5 0 年代，b j e r r u m 和e i d e 通过大量的理论研究和实验数据分 析，提出著名的分析基坑坑底隆起的方法。2 0 世纪6 0 年代，t e r z a g h i p e c k 6 】 提出了著名的表观土压力理论，这一理论是在对实际基坑工程监测结果( 基坑 周边的地面的沉降、支护结构的位移以及基坑所受外荷载的大小) 分析研究的 基础上提出的。此理论的提出，推动了基坑工程的迅速发展，与此同时，基坑 工程的试验和监测技术也随之得到了相应的发展。 改革开放以来，我国高层建筑越来越多。建筑高度的不断增加要求基坑工 程技术不断提高，深基坑工程的设计和施工技术随之得到迅速的发展。在深圳， 信息施工法第一次在深基坑支护中使用【7 1 ，效果良好，而且节约了工程造价。 9 0 年代，我国的经济迅速发展，城市人口急剧增长，地价和房价迅速增长，城 市建设逐渐往地下发展，有些基坑深达2 0 多米【8 】。基坑深度的增加要求的设计 计算方法也相应的提高，施工技术也要随之提高。通过对基坑工程的理论研究 和对实际工程设计和施工经验的总结，我国逐渐编著了深基坑工程的设计和施 工手册以及有关法规和规范，为基坑工程的设计和施工提供了理论依据和技术 指导【9 1 。 1 基坑支护体系概述 ( 1 ) 放坡开挖 在基坑工程的开挖深度较浅，地质条件好而且场地比较大的情况下，可以 采用放坡开挖。放坡开挖的重点是要保证边坡的稳定，选择合适的基坑边坡坡 度是非常重要的。比如在北京某些土质较好的地方采用放坡开挖【l 们，放坡开挖 基坑深度达到1 5 m ，还有不少数基坑采用近垂直开挖，深度到6 m 。 ( 2 ) 悬臂式支护结构 悬臂式支护结构首先要有足够的入土深度，其次要有足够的抗弯刚度，这 样才能保证基坑的整体稳定性和支护结构的安全。悬臂式支护结构主要有排 桩、钢板墙和地下连续墙等结构形式。悬臂式支护结构通常应用在开挖深度较 浅的基坑工程中。在厦门市，悬臂式排桩支护得到了广泛的应用【1 1 1 ，厦门市的 国贸大厦和金盛大厦等雄伟建筑都采用了悬臂式支护结构形式。此种支护结构 形式的优点是基坑内无支撑，这就给施工带来的便利；与此同时此种支护机构 的顶部位移较大，通常适用于地质条件良好的基坑工程，若在软土地质条件下， 基坑深度一般不能超过6 m 。 ( 3 ) 水泥土重力式挡土墙支护结构 水泥土重力式挡土墙支护结构，在工程中应用比较广泛。其作用原理是依 靠自身重力和一定的强度达到支护的目的。水泥土重力式挡土墙支护结构通常 采用深层搅拌法，有时采用高压喷射注浆法形成。在软黏土地质条件下，通常 采用深层搅拌桩法，基坑开挖深度一般在6 m 以内。在沙类土地基中，通常采 3 用第二种成桩方法。水泥土重力式挡土墙支护结构的优点是支护结构的稳定 性、整体性较好，并且工程费用较其他支护型式低。因为其占地面积大，不能 在基坑场地小的工程中使用。 ( 4 ) 内支撑支护结构 内支撑支护结构应用范围非常广泛，不同的土层、不同的基坑深度都可以 采用内支撑支护结构。内支撑支护结构包括支护结构和内支撑结构，支护结构 一般情况下采用排桩或者连续墙，支撑结构通常采用钢管。例如在武汉某大厦 基坑工程【l 引，基坑深度为1 l m ，宽度为1 5 3 7 m ，长度为5 0 m 。支护结构采用 钻孔灌注桩，内支撑机构采用加直径为6 0 0 m m 的钢管水平支撑，基坑开挖过 程中支护结构安全，基坑稳定，支护效果良好。 ( 5 ) 拉锚式支护结构 拉锚式支护结构包括支护结构和拉锚结构。拉锚结构的通常采用的是地下 连续墙或者排桩作为支护结构。拉锚结构的选择要根据地质条件不同而选择不 同的结构，在沙土地区、粘土地区，通常采用锚杆式结构；在场地较大的地方 或者有其他锚固物的条件下可以选择地面拉锚式结构。锚杆式支护结构和一般 的支护结构不同，一般的支护结构式依靠自身的重量来维持其稳定和平衡的， 而锚杆支护结构是依靠锚杆的锚固力来维持平衡，依靠锚杆所提供的锚固力来 承受土应力、水压力以及其他荷载，从而保证整个支护结构的安全稳定。锚杆 式支护结构在国外应用的较早，有关技术也非常成熟；随着我国土木工程的迅 速发展，锚杆式支护结构在我国也同样得到了推广，有关锚杆式支护结构的研 究文献也相继出版。 ( 6 ) 土钉墙支护结构 土钉墙支护结构的作用机理是通过在基坑边坡中设置土钉，形成了加筋土 挡土墙，从而起到基坑支护的作用。土钉与土体之间存在粘结力和摩擦力，两 者之间的相互作用力就形成了挡土结构，承受土压力和地下水作用以及其他荷 载，从而保证基坑开挖的安全，稳定。土钉的形成一般分为三个步骤，第一是 钻孔，第二步是插筋以及第三步注浆。土钉墙支护结构是一个复合体，土钉可 以弥补土体强度的不足，增加了土体的刚度【l 引。土钉墙支护结构相对于其他结 构来说是造价比较经济，施工方便，在我国等到了广泛的应用。 土钉墙支护机构和锚杆式支护结构看似有共同作用形式和受力机理，但是 二者有本质的区别，锚杆的锚固段受到支护结构传来的轴力作用，这种轴力是 由锚杆的自由段来传递的，自由段锚杆承受一样大的轴力。土钉墙支护结构的 受力不同，土钉中间受的拉力大，两端受的拉力小。土钉墙支护结构依靠土钉 与周围土体的粘结力和摩擦力来承受土体以及其他荷载作用。 ( 7 ) 双排桩支护结构 双排桩支护结构是一种新型的基坑支护技术，其优点显著，在很多大型工 4 程中获得成功的应用，获得普遍的好评。双排桩支护结构受力机理很复杂，设 计理论依据尚不成熟，需要有学者和工程技术人员进一步研究。双排桩支护结 构是指在基坑工程中设置两排平行桩作为支护结构，这两排桩桩体排放呈矩形 或者梅花形，为了保持支护结构的整体性，使用刚性冠梁将两排桩桩顶连接成 一个整体。相对于其他支护结构，此种结构侧向刚度大，抵抗基坑变形的能力 强，是一种很好的支护结构。双排桩支护结构的占地面积小，在建筑物非常密 集的城市是非常适用的。 除了上述支护结构以外，拱式组合型支护结构、喷锚支护结构、加筋水泥 土挡墙支护结构和沉井支护结构在基坑工程中应用也比较广广泛。 2 基坑工程支护结构设计计算理论概述 基坑工程支护结构的计算理论有弹性地基梁法【l4 1 、极限平衡法【l5 】和数值 分析法等等。本文对下穿式通道基坑工程进行计算时采用数值计算方法。数值 计算方法包括有限单元法和有限差分法。 有限单元法是常用的数值计算方法，应用于各个领域，物理问题是其解决 的主要对象。有限单元法的网格划分很灵活，不同的材料可以在同一个模型里 分别被模拟【1 6 】。通过划分足够小的单元可以对于边界条件模拟接近其真实的边 界；同时，对复杂的材料结构可以模拟至接近真实的情况。无论在土木工程、 机械工程等等领域，有限单元法都得到了广泛的应用。利用相同的有限单元法 程序可以解决不同的工程领域的问题，这种统一性使得有限单元法成为通用的 数值计算方法。有限单元法可以为不同层次的工程技术人员服务。有限单元法 的核心是，把研究对象离散化，把分析对象等价为有限个只在节点连接的单元 的集合体，对这有限个单元，用有限个参数来描述它的力学性能并将这些有限 个单元的力学特性总和作为整个连续体的力学特性。 有限差分法的数学原理是求解微分方程和积分方程。有限差分法核心内容 是将连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替，把连续定解区域中的 连续变量函数用离散变量函数函数来近似的代替 1 7 l ；使用差商来代替微商，使 用局部积分来替代整体积分，使用有限差分方程组近似代替原来的微分方程 组。原来散点上的解即是此方程组的近似解。国外学者认为，相对于有限单元 法，有限差分法更适用于岩石变形的分析研究【l 引。 本文采用有限差分法数值模拟f l a 3 d 对下穿式通道基坑支护问题进行个 模拟研究，模拟在基坑开挖过程中基坑的变形特征及咬合桩支护机构的受力和 变形特点。 3 钻孔咬合桩支护结构 钻孔咬合桩支护结构是指桩身密排且相邻桩桩身相割形成的具有防渗作 用的连续挡土支护结构，既可全部采用钢筋混凝土桩，也可采用素混凝土桩与 钢筋混凝土桩相间布置；使之形成具有良好止水防渗作用的整体连续排桩式档 土支护结构。由于其特点为桩间的相互咬合，故称为咬合桩。 一般地，咬合桩往往被用作深基坑工程的临时支护结构。在城市下穿式通 道下部机构中，钻孔咬合桩既能做下穿式通道施工时期的支护，又做下穿式通 道的永久受力结构。 1 2 2 便桥的研究现状 经济的腾飞带动交通土建工程的迅猛发展，新建交通土建工程大发展的规 模空前，成为经济发展的一个重要标志。交通土建工程( 公路工程、铁路工程、 桥梁工程，地铁工程等) 的建设、改建、加固造成了交通的拥挤。为了缓解因 交通工程建设、改建、加固所造成的交通压力，修建便桥是十分必要的。比如 新建桥梁建造期间要搭建便桥解决跨河交通的问题；地铁施工到交通繁忙的交 通地段；城市立交桥的加固，需要搭建便桥疏导交通。 便桥是一种临时的桥梁，在施工期间期待很重要的作用，不但能疏导交通， 也给施工带来便利。便桥是设计时候和其他桥梁一样要保证其安全可靠。要在 满足规范要求的情况下，尽量的减少其工程费用。便桥的方案要适合所服务的 工程，比如下穿式通道的便桥设计，要考虑到原来道路的交通量大小，要考虑 与原路面的顺接。便桥的可重复利用性是重中之重，因为便桥是短期的交通设 施，如果采用不能循环利用的材料作为便桥的建造材料，势必会造成很大的浪 费，这样就违背了设计经济性的思想。便桥的建造要迅速，要在短时间内完成 并使其发挥其功能，例如下穿式通道工程施工中的便桥的搭设就要求迅速，在 拥挤的城市里，交通和人们的工作生活密切相关。在下穿式通道的基坑开挖时， 首先要建造便桥来疏导交通，这就要求在短期内完成便桥的施工，这样既可以 不影响施工有不影响人们的正常生活。 我国有丰富的便桥建造经验和便桥建造器材，有关部分拥有大量的便桥建 造所需的材料，这些建材大多来源于军用器材，如贝雷梁、六四式铁路军用梁 等等，这些便桥建材适用于各种便桥的搭设。由于目前交通设计的设计和施工 种类繁多，条件也大相径庭，所以在需要建造便桥时的要求也各有不同，这就 要求便桥设计时要根据具体的工程情况，综合分析各种因素的影响，选择合适 的设计方案和施工方案，降低便桥的造价。 我国有丰富的便桥设计经验和理论依据，总结已有的设计经验和理论精 华，在设计便桥是要遵循以下几条原则： ( 1 ) 为保证结构受力安全、稳定，严格按照器材的允许承载力进行设计； ( 2 ) 正确设计交通临时器材的使用形式，防止出现杆件受压失稳； ( 3 ) 在对便桥进行内力分析时，要按有关规范布置荷载，考虑最不利因 素和最不利状态，保证便桥的整体稳定，要进行强度和刚度的验算。 ( 4 ) 保证梁部结构支点位置正确，在加强结点处设置支点。 6 便桥可根据实际的工程要求选择合适的结构型式，一般工程多采用简支结 构，本文便桥设计选择简支结构型式，简支结构型式可以减少便桥上部结构对 下部结构的水平方向作用的影响，从而减少下部结构的水平位移。本文提出城 市下穿式通道中一种简单的日型钢便桥设计方案，利用下穿式通道咬合桩作为 便桥的下部结构，根据已有的设计经验进行合理的布局，从而使得便桥的设计 更为合理。 1 3 本论文的主要工作 在下穿式通道基坑施工期间，为了解决封路对城市交通带来的不利影响以 及保证施工的安全，需要架设便桥解决问题。本文提出的设计钢便桥设计方案， 对其结构进行研究，同时研究在钢便桥作用下，下穿式通道的基坑变形特征。 所做工作有以下几方面： ( 1 ) 针对下穿式通道的基坑施工给交通带来的不利影响，提出一种日型 钢便桥的设计方案。 ( 2 ) 运用有限元分析软件m i d a s c i v i l 对日型钢构桥进行模拟分析，研究 其在正常通车情况下的受力和变形规律，校核强度和挠度是否满足规范要求。 ( 3 ) 利用数值模拟软件f l a c 3 d 模拟研究不同的咬合桩长度和不同的桩 径情况下基坑开挖过程中的变形特征，对咬合桩的桩长和桩径进行优化设计。 ( 4 ) 选取合理的材料本构模型，利用数值模拟软件f l a c 3 d 模拟下穿式 通道开挖时，在钢便桥和土压力综合作用下的基坑变形规律，为基坑工程的设 计和研究提供参考。 7 第二章城市下穿式通道工程便桥的设计研究 伴随着经济的迅猛发展，对交通基础设施的要求也随之提高，交通设施的 ( 城市桥梁，铁路桥，公路桥梁、地铁) 建造、改建、改造施工过程中造成交 通的严重受阻，特别是在人口众多的城市，交通基础的施工给城市交通带来前 所未有的压力。因此，急需采取适当的交通保障措施，解决这一矛盾，缓和交 通压力。 便桥是一种临时的交通设施，等交通设施工程完工，正式投入使用，便桥 就会被拆除。因此，短期临时性的工程设施建设，不但要注重临时设施的安全 性、可靠性，还要考虑其经济性、有效性，以节省投资。搭设临时性便桥是一 种优越的交通保障措施，其特点是快捷、经济、安全可靠。能够在短时间内， 利用现有的大量的制式器材，快速搭建、拼装，建成满足交通需求的有足够承 载能力的桥梁，保证交通运输的畅通运行。 本文所设计便桥是一种临时交通保障措施，是在下穿式通道施工期间的临 时交通通道，其下部结构为基坑的支护结构一钻孔咬合桩，上部结构为本章设 计研究的重点一日型钢便桥。 选择h 型钢作为便桥设计的主要材料是因为h 型钢是由工字型钢优化发展 而成的一种断面力学性能更为优良的经济型断面钢材【1 9 】，其特点如下：翼 缘宽，侧向刚度大。抗弯能力强。翼缘两表面相互平行使得连接、加工、安 装简便。与焊接工字钢相比，成本低，精度高，残余应力小，无需昂贵的焊 接材料和焊缝检测，节约钢结构制作成本3 0 左右。相同截面负荷下。热轧 h 钢结构比传统钢结构重量减轻1 5 2 0 。与混凝土结构相比，热轧h 钢结 构可增大6 的使用面积，而结构自重减轻2 0 3 0 ，减少结构设计内力。 h 型钢主要用于工程，厂房设备，机械设备，桥梁，高速公路，民房等； 机械性能和物理性能好，牢固，节约能源和环保的效果。日型钢是一种经济型 断面钢材【2 们，广泛用于工业、建筑、桥梁、石油钻井平台等方面。 2 1 下穿式通道施工中钢便桥的整体布局方案 综合考虑目前下穿式通道的设计特点和几何尺寸，本文拟设计钢便桥的总 体布置图如图2 1 、2 2 所示，下部结构为咬合桩支护结构，咬合桩顶部浇筑混 凝土盖梁，盖梁作为刚便桥的桥台，通道两侧咬合桩的净距离为1 6 m ，所设计 便桥的净跨径为1 6 m ；为了满足正常的交通需求，便桥设计宽度为1 5 m ，双向 四个车道，关于钢便桥人行道和护栏的设计，本文没有讨论。 8 上跨道路 盖梁 下穿通道 钢便桥 下穿通道 盖梁 上跨道路 图z - 1铜便桥平面布置幽 图2 - 2剐便桥的立体模型图 下穿式通道的施工首先是钻孔咬合桩的施工图2 - 3 为钻孔咬合桩的单桩 旖工工艺的流程图2 1 】【2 ”。 平整场地桩机移位 j r 。l 施放桩位 成桩 j l 1r 施工混凝土导墙 测定混凝土面 pl l全套管钻机和事管就位对中 1r 灌注混凝土，逐次拔导管和套。 吊装安放第一节套管 l 1 测控垂直度 放入混凝士灌注导管 上 。l 压入第一节套管 吊放钢筋笼 l 上 。 校核垂直度 清除虚土，检查孔底 j l 1r 抓抓斗取土、套管钻孔测量孔深 图2 - 3全套管灌注桩单桩施工工艺流程图 钻孔咬合桩施工完以后，需等咬合桩的强度达到1 0 0 ，再进行咬合桩桩顶 盖梁的施工；之后便可进行钢便桥的安装，使用高强度螺栓将钢便桥固定的盖 梁上。 2 2 便桥方案的选取 2 2 1 贝雷梁便桥 贝雷梁在我国广泛应用于国防战备、交通工程、市政水利工程，是我国应 用最为广泛的组装式承重构件乜朝。具有结构简单、运输方便、架设快捷、载重 量大、互换性好、适应性强的特点。“3 2 1 钢桥是在原英制贝雷桁架桥的基 础上，结合我国国情和实际情况研制而成的快速组装桥梁；“h d 2 0 0 ”型装配 式公路钢桥增加了桁架高度，提高了承载能力，增强了稳定性能，增加了疲劳 1 0 寿命，提高了可靠度。 贝雷梁为军工定型产品，很多大型施工单位有储备、使用，易于获取，而 且贝雷粱的质量保证，能在现场快速装拆，贝雷粱组装后的重量较轻，便于贝 雷粱作为主粱对本项月而言是一个快捷可靠的选择”“。贝雷粱便桥( 图24 ) 是用贝雷梁作为纵粱的便桥形式贝雷粱作为便桥纵梁的施工方法较为普遍。 相对贝雷梁便桥，“型钢便桥更为方便、快捷而且便桥建筑高度小，更适合 于作为下穿式通道施工时候的钢便桥。 圈2 49 l 宙粱桥 222h 型钢便桥的设计方案 本章拟设计便桥是用钻孔咬合桩作为施工便桥的承重结构，在咬台桩顶混 凝土盖梁，作为临时便桥的桥台，所以本设计只对h 型钢构桥的上部结构设计 和验算。本文在第四章对刚便桥作用下基坑的变形分析。便桥按净跨1 6 m 设计， 共设双向4 个车道，单车道宽为37 5 m ，初步考虑三种设计方案： 方案一：桥面采用5 r a m 厚防滑钢板，考虑到钢便桥和原有路面的顺接， 需要减小便桥的建筑高度，纵梁采用牌号为0 2 3 5 的2 0 0 2 0 0 h 型钢密 霉；防 滑铜板、纵梁之间采用螺栓连接，将纵梁用高强度螺栓固定在盖梁上。 方案二：为了节约建材，考虑使用截面系数大的h 型钢作为纵梁，这样可 以减少建材的用量，在材料不变的条件f 方案二采用6 0 0 x 2 0 0h 型钢，作为 纵粱，纵梁间距取2 m 纵梁间距犬，需要设计横梁合理分配横向分布系数， 横梁采用2 0 0 2 0 0 h 型钢，间距取o 6 m ，为了保证钱，为了保证桥面挠度和 强度符合规范要求，桥面采用厚度为2 e r a 防滑钢板，各构件连接方式同方案一。 方案三：方案二的建筑高度较大，考虑到便桥和原路面的顺接，在建材同 样的情况下，方案三采用3 0 0 2 0 0 h 型钢作为纵梁，间距取o3 m ，横粱采用 15 0 1 5 0 h 型铺，间距取04 m ，桥面采用5 r a m 厚防滑钢板，各个构件的连接 方式同方案一。 使用桥梁有限元分析软件m a d i s 对上述三种方案进行模拟分析，结果显 示方案一的纵梁挠度过大，不符合规范要求，不能使用。方案二、方案三的便 桥结构变形和受应力均满足规范要求。方案二便桥的建筑高度为8 2 0 m m ，而方 案三便桥的建筑高度为3 5 5 m m ，考虑到便桥要和原路面顺接，便桥的结构厚度 最好小一些，所以方案三是比较合理的设计方案。另外方案二的桥面采用2 c m 厚防滑钢板，纵梁为牌号为q 2 3 5 的6 0 0 2 0 0 h 型钢，间距2 0 0 0 m m ，纵梁较 高，而且间距比较大，固定纵梁使整个刚便桥成为一个整体的难度比较大，使 用2 c m 的钢板较厚，整个结构自重较大。方案三为本文最终便桥设计方案，本 文只对此方案三进行有限元模拟分析。 2 3h 型钢便桥结构的有限元分析 2 3 1有限单元法和m i d a s c i v i l 简介 有限单元法求解弹性力学问题通常包括结构或连续体的离散化，建立单元 刚度方程，组集总体刚度方程，引入位移边界条件，求解总体刚度方程得到问 题的位移解，进一步求解各单元的应变、应力、主应力等对工程有重要价值的 物理量【2 5 儿2 6 】f 27 1 。当然所有这一过程中的各步计算都是由通用的有限单元法计 算机程序( 软件) 来完成的。求解步骤为： 1 结构的离散化 这一步骤的任务就是把求解对象一结构或连续体一化分成由各单元组成 的有限单元法模型，即有限元网格。网格剖分时，应当注意满足两个基本要求， 即近似性和连续性。 2 建立单元刚度矩阵并组集总体刚度方程 3 引入边界条件，修改总体刚度方程 弹性力学问题边界条件包括应力边界条件和位移边界条件。应力边界在总 体刚度方程中已得到反映，这里主要是考虑位移边界条件。在考虑了位移边界 条件，对总体刚度方程作相应修改后，才可以求解总体方程组，得到未知的位 移列阵。具体地处理方法不在累述。 4 求解总体刚度方程 弹性力学问题求解，除了作为基本未知量的位移之外，通常更注意在弹性 体内的变形及应力分布特征。在解方程组求得总体位移列阵后，就可以进一步 利用几何方程和物理方程求得单元的应变、应力、主应力及其他未知量。 5 计算成果的整理、分析与评价 有限单元法计算成果的整理，主要是从大量的结果文件中找出对工程有意 义的关键部位的数据( 位移、应变及应力) 及计算结果反映的规律。这些工作 由人工进行整理是一件十分繁琐而费工费时的事。目前已发展和开发出的后处 1 2 理技术使得这些工作可以完全交由计算机来自动完成。后处理技术包括绘制各 种图形，如变形图，等值线图，以及按照计算者的要求绘制任一剖面或关键部 位的位移、应力、主应力、分布曲线图等，以及各种数据制表等。计算报告书 中所需的任何数据和图形都可以由后处理软件来完成。这就大大提高了工作效 率，使计算者把主要的精力用于对计算结果的分析与评价工作上。 m i d a s c i v i l 是土木工程中特别是土木结构工程结构分析和设计的专业软 件。m i d a s c i v i l 软件对预应力箱型桥梁、斜拉桥和悬索桥等结构的分析应用比 较广泛，并得到工程技术和研究人员的认可。m i d a s c i v i l 软件也可以做材料非 线性分析、动力弹塑性分析、非线性边界分析、静力弹塑性分析等等。 相对于其他有限元分析软件，m i d a s c i v i l 有限元软件使用界面方便、简 洁，结构分析非常准确、人性化设计设计。所以，m i d a s c i v i l 应用领域非常 广泛，如以下领域： 大体积混凝土的水化热分析：预应力钢筋混凝土箱型桥梁、桥台、桥脚、 防波堤； 联合桥梁：梁板桥梁、钢箱型桥梁； 顶应力钢筋混凝土箱型桥梁：移动支架法、悬臂法、顶推法、满堂支架 法： 钢筋混凝土桥：预应力桥梁、刚架桥梁、梁板型桥梁； 大跨度桥梁：斜拉桥、拱桥、悬索桥； 工业建筑：水塔、电力输送塔、发电厂、压力容器； 国家基础建设：大坝、港口、飞机场。 地下结构：通信电缆管道、上下水处理设施、隧道、地铁； 2 3 2 便桥结构的有限元分析 本章对方案三便桥进行有限元分析，按净跨1 6 m 设计，宽度为1 5 m ，采用 3 0 0 2 0 0 h 型钢作为纵梁，间距取o 3 m ，横梁采用1 5 0 1 5 0 h 型钢，间距取 0 4 m ，桥面采用5 m m 厚防滑钢板，各个构件采用螺栓连接方式同方案。桥用 高强度螺栓固定在盖梁上。 桥梁模型为简支型结构，日型钢用梁单元模拟，桥面用板单元模拟，横梁 作为肋梁加在板单元上，如图2 5 为建立的模型图。 1 3 ) 便桥整体模型图 图2 - 5 钢便桥模型削 ( 2 ) 便桥局部体模型图 本桥梁设计车辆荷载按照城市桥粱b 级设计，根据城市桥梁设计荷载标准 【2 ”( c j j 7 7 9 8 ) 规定，荷载可分为车辆