基于MARC的路桥过渡段纵向路面沉降的有限元分析

基于MARC的路桥过渡段纵向路面沉降的有限元分析

钟昊成

西双版纳交创工程咨询设计有限公司，云南 西双版纳，666100

摘  要：利用MARC有限元分析软件，通过建立路桥过渡段有限元模型，模拟在不同形式荷载作用下路桥过渡段路面的沉降变形规律，并且着重分析了过渡段的材料刚度与过渡段尺寸大小对纵向沉降变形的影响。结果表明，过渡段材料刚度对纵向路基沉降影响较大，当过渡段碎石刚度为120MPa时，沉降曲线有突变，沉降值变化幅度大，对工程不利，随着碎石刚度的增加，曲线逐渐趋于平缓，沉降值稳定变化。过渡段尺寸变化对路基纵向沉降差异影响不明显，在处理过渡段时只要符合设计要求即可。

关键词：路桥过渡段；路面纵向沉降变形；材料刚度；有限元分析

Finite element analysis transition section road and bridge of the longitudinal surface subsidence based on the MARC

ZHONG Hao-cheng

Jiaochuang Enginerring Consulting Design Co.,Ltd，Xishaungbanna  666100，China

Abstract：based on the finite element analysis software MARC, by establishing a finite element model transition section road and bridge, simulation under different forms of load settlement deformation law of transition section of road and bridge, and emphatically analyzes the transition section stiffness and transition section size effect on the longitudinal settlement. The results show that the transition section had a greater influence on the stiffness of vertical embankment settlement, when the transition section of gravel stiffness is 120 MPa, settlement curve has a mutation, sedimentation value change is big, adverse to the project, with the increase of gravel stiffness, curve flatten out gradually, subsidence stability change. Transition section size change on subgrade longitudinal settlement difference effect is not obvious, when dealing with transition section should accord with the design requirements.

Keywords：transition section of road and bridge; road longitudinal settlement; Material stiffness;finite element analysis

作者简介：钟昊成（1990-），男，云南省景洪人，2013年毕业于长安大学道路桥梁与渡河工程专业，本科，工程师，主要从事公路、桥梁、市政道路新建及改扩建设计等工作。

1引言

路桥施工中，涉及到多个施工环节，如路基、桥梁等结构施工，因不同结构的刚度不同，所以在路基与桥梁连接部位，在长期荷载用下，路基因刚度低于桥梁，会出现沉降问题，为解决这一问题，通常在施工中会设置一定长度的过渡段，确保列车运行平稳。

整个道路路基中，路桥过渡段是最薄弱的环节，在列车荷载作用下，过渡段沉降量也会随着时间的延长而增大，引起桥头跳车问题。导致桥头跳车的主要原因为引道路堤与桥台之间沉降差引起的。桥头跳车不但会导致车辆在行驶中突然减速，还会造成行车的舒适性及安全性下降[2]；同时，道路、桥梁在车辆冲击下，也会加速桥头搭板、桥台、支座及伸缩缝等结构出现损坏，缩短了道路与桥梁的使用寿命。如果存在过渡段沉降问题，桥面在结冰的情况下，车辆极易出现失控情况，导致交通事故的发生。近些年来，我国路桥工程发展速度飞快，路桥等级不断提高，桥梁、涵洞等构造物在路桥中占比越来越大。所以，路桥过渡段承受的动荷载作用也更多，引起的沉降问题成为当前路桥工程中的重要问题。

本文基于有限元软件MARC，模拟在不同方式荷载作用下路桥过渡段路面的沉降变形规律，并且着重分析了过渡段的材料刚度与过渡段尺寸大小对纵向沉降变形的影响，为路桥过渡段的设计施工提供一定的参考。

2仿真模型的建立与参数的选取

2.1有限元的基本假定

（1）假定桥台为线弹性模型，采用Mohr-Coulomb塑性模型对路堤、基床表层、底层、过渡段碎石及路堤填土等构筑物进行模拟。

（2）假设土体在向下的深度方向与水平方向均为有限。

（3）对桥台、路堤填土、路堤、基床表层及底层、过渡段碎石及基础接触面的非线性采用Marc程序接触单元来模拟，即采用滑动库伦摩擦模型对各结构之间的摩擦进行模拟。

2.1几何模型

图1为过渡段尺寸，地基基础部分深度为20m，路堤填土厚度3.1m，基床底层厚度1.9m，基床表层厚度0.6m。过渡段结构为梯形结构，用碎石填筑，梯形上边长5m，斜边坡比为1:2。桥台采用性能较好的材料制作，荷载条件下不会出现明显变形，所以宽度设置为2m，高度从基础向下至地基内部。

图1 路桥过渡段结构示意图

2.2模型边界条件

过渡段属于轴对称结构，所以在模型模拟时，只选取过渡段的一半进行模拟，另一半相同，如图2。计算重力平衡时，上部为自由面，四周与底部约束是模型的边界条件；计算动力部分时，模型四周为自由边界，底部约束。

图2 路桥过渡段三维数值模型

2.3模型参数的选取

根据材料特点，采用三维结构实体单元来模拟基床表层、底层、过渡段碎石、路堤填土、基础、桥台等结构；其中，采用Mohr-Coulomb塑性模型对基床表层、底层、过渡段碎石、路堤填土、基础来模拟，采用线弹性模型来模拟桥台部分。参数如表1所示。

表1 材料力学参数表

3计算结果及分析

3.1动荷载作用下的路基沉降规律

以文献[2]中列车实测数据为参考，将动荷载施加到路桥过渡段路基表面，作用时间2.3s，对2.3s，2.7s，3.0s和3.5s情况下的路基沉降规律分别进行计算。

从桥台后开始，在基床表层距离桥台0，4，8，10，14，18，22，26，30，32m处分别选取一系列的点，即可得到不同作用时间下，路面纵向沉降变化规律，如图3。由图3可知，自桥台后路面纵向沉降值随着离桥台的距离增加逐渐变大，远离路桥过渡段后，路基沉降值趋于稳定；作用时间越长路面纵向沉降值变小，原因是作用时间越长，列车速度慢，等效于给路面施加的瞬间动荷载越小，故纵向沉降值相对变小。

图3 不同作用时间路面纵向沉降变化规律

3.2循环荷载作用下的路基沉降及与实测值的对比

将循环荷载施加在过渡段路基表面。荷载作用的时间段分别选择为0~7.0s，10.0∼17.0s，20.0∼27.0s，30.0∼37.0s，作用时间为40.0s。对第10.0s，20.0s，30.0s，40.0s的计算结果计取，得到如图4所示的不同作用时间下路面纵向沉降变化规律。实测沉降为车速度自197∼210km/h之间变化时的路面纵向沉降变化规律如图5所示。比较可见，数值计算的过渡段的沉降规律与实测沉降规律相似。

图4 数值模拟路面纵向沉降变化规律

图5 实测路面纵向沉降变化规律

3.3碎石刚度对过渡段沉降的影响

过渡段其它条件不变，碎石弹性模量分别采用120MPa，140MPa，160MPa，180MPa，200MPa，在动荷载作用下，分析过渡段数值，如图6。可见，过渡段碎石刚度为120MPa时，沉降曲线发生突变，沉降值变化幅度大，对工程不利，随着碎石刚度的增加，曲线逐渐趋于平缓，沉降值稳定变化。达160MPa后沉降曲线线形基本不变。

图6 不同碎石刚度下路面纵向沉降变化规律

3.4过渡段尺寸对沉降的影响

本研究中，过渡段为梯形结构，梯形上底宽度通常在3~5m之间，本文过渡段宽度，在其它条件不变的情况下，分别设置为3m，4m，5m，6m，根据下底宽度计算公式，对不同上底宽度对应的下底宽度进行计算，计算过程中过渡段斜面保持一致。

分别计算以上四种模型，得不同尺寸下路面纵向沉降变化规律如图7所示。由图7可看出，过渡段梯形上边长的改变并没有引起路面沉降值的变化差异明显，由此可知，过渡段上边长的增加对路面沉降的差异并没有多大贡献，可见过渡段沉降受过渡段上下底部宽度的影响非常小，对过渡段进行处理时，只要满足设计要求即可。如果一味的加大过渡段的尺寸，不但会导致工程进度延长，还会使工程成本升高。

图7过渡段尺寸对路面纵向沉降的影响

4结论

（1）路面纵向沉降规律数值模拟表明，自桥台后路面纵向沉降值随着离桥台的距离增加逐渐变大，

出差沉降值差异，远离路桥过渡段后，路基沉降值趋于稳定。

（2）碎石过渡段的刚度对路面纵向沉降影响较大，当过渡段碎石刚度为120MPa时，沉降曲线有突变，沉降值变化幅度大，对工程不利，随着碎石刚度的增加，曲线逐渐趋于平缓，沉降值稳定变化。达160MPa后沉降曲线线形基本不变。

（3）过渡段上边长的增加对路面沉降的差异并没有多大贡献，可见过渡段沉降受过渡段上下底部宽度的影响非常小，对过渡段进行处理时，只要满足设计要求即可。

参 考 文献

[1]张洪亮. 路桥过渡段车路动力学分析及容许差异沉降研究[D].长安大学,2003.

[2]孟凡会,侯永峰,吴涛. 路桥过渡段的三维数值模拟分析[J]. 岩土力学,2007,S1:849-854.

[3]莫万远. 路桥过渡段路基沉降监测及数值模拟分析[J]. 铁道建筑技术,2011,S1:182-186+193.

[4]郑俊杰,张军,马强,董友扣. 路桥过渡段桩承式加筋路堤现场试验研究[J]. 岩土工程学报,2012,02:355-362.

[5]铁道科学研究院铁道建筑研究所. 不同基床表层结构及路基、轨道动态试验研究[R]. 北京：铁道科学研究院铁道建筑研究所， 2003.

[6]韩自力， 张千里. 既有线提速路基动应力分析[J]. 中国铁道科学， 2005.