采用Midas對涵洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析一例

吳太原（安徽省五河縣水利局設(shè)計(jì)室　五河　233300）

采用Midas對涵洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析一例

吳太原
（安徽省五河縣水利局設(shè)計(jì)室五河233300）

水工建筑物結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算作為對水工建筑物進(jìn)行技術(shù)改造或拆除重建的重要依據(jù)，對計(jì)算的準(zhǔn)確度與精度要求自然也較高，采用Midas有限元分析軟件模擬建筑物的真實(shí)受力工況，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，可以避免一般簡化計(jì)算方法精度與準(zhǔn)確度不高的缺點(diǎn)。

MidasCivil有限元分析抗壓強(qiáng)度

安徽省某泵站穿堤涵洞因工程建設(shè)，需要對建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核，分析涵洞結(jié)構(gòu)安全性，為加固改造提供科學(xué)依據(jù)。涵洞為2孔3.0m×3.0m鋼筋混凝土箱涵，中墩厚0.4m，頂、底板及邊墩厚0.5m，布置圖如圖1。

圖1　某泵站穿堤涵洞圖

1　檢測情況與規(guī)范符合性分析

根據(jù)檢測部門現(xiàn)場鉆芯取樣檢測，1#、2#、3#、4#采涵洞洞身鉆芯取樣的混凝土抗壓強(qiáng)度最小值約為21.0N/mm2。5#涵洞洞身鉆芯取樣的混凝土抗壓強(qiáng)度最小值僅為18.70N/mm2，且離散性較高。

根據(jù)檢測結(jié)果，被檢涵洞洞身混凝土均不滿足規(guī)范規(guī)定的耐久性要求。5#涵洞不符合規(guī)范規(guī)定的混凝土強(qiáng)度等級要求。

2　結(jié)構(gòu)安全復(fù)核計(jì)算

2.1安全復(fù)核計(jì)算要點(diǎn)分析

涵洞為高填方涵洞，亦有資料稱其為溝埋式涵洞。根據(jù)其受力特點(diǎn)，結(jié)合涵洞可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)破壞形式分析，需要對涵洞的抗彎、抗剪、應(yīng)力集中、因彎矩形成的受壓區(qū)混凝土抗壓及涵洞配筋逐一進(jìn)行分析計(jì)算。

這里采用Midas對涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行較全面的有限元分析。分別采用Midas Gen，板模型計(jì)算涵洞的彎矩，剪力及板模型狀態(tài)下的局部應(yīng)力情況；采用Midas FEA和Midas Civil實(shí)體模型模擬涵洞的真實(shí)受力情況，獲得涵洞更接近實(shí)際的應(yīng)力分布圖。

2.2結(jié)構(gòu)安全復(fù)核數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)檢測機(jī)構(gòu)檢測結(jié)論作采用鉆芯取樣方法獲得的樣本強(qiáng)度推定值，采用偏安全的方法確定現(xiàn)有涵洞的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即對于5#涵洞洞身，強(qiáng)度最小值18.70N/mm2，采用C15混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；對于其余涵洞洞身，強(qiáng)度最小值21.0kN/mm2，采用C20混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

涵洞為高填方涵洞，洞頂最高填土10m，最低填土高度3.9m，根據(jù)涵洞縱斷面布置及檢測結(jié)果，取4#和5#涵洞作為代表進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算。

表1　運(yùn)行工況分析表

表2　有限元分析計(jì)算結(jié)果表

圖2　平面單元應(yīng)力等值線圖（kN/m2）　

圖3　彎矩等值線圖（kN·m/m）　

圖4　完建期實(shí)體單元應(yīng)力分析圖

涵洞填土容重18kN/m3，活荷載忽略不計(jì)。地基土基床系數(shù)根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及現(xiàn)場開挖情況，取20000kN/m3。

2.3涵洞計(jì)算工況選擇

由表1可知，涵洞檢修期無內(nèi)水壓力，且涵洞外側(cè)同時(shí)受水壓力及土壓力作用，所以涵洞檢修期為最不利受力狀態(tài)。這里分別選取涵洞完建期及檢修期工況對涵洞進(jìn)行承載力復(fù)核。

2.4 4#涵洞安全復(fù)核計(jì)算：

2.4.1完建期有限元分析

取完建期作為計(jì)算工況，運(yùn)用Midas Gen進(jìn)行板單元結(jié)構(gòu)有限元分析。

經(jīng)計(jì)算，涵洞墩墻及頂板單元正應(yīng)力最大值為8257.01kN/m2≈8.3N/mm2，小于采用內(nèi)插法推定的現(xiàn)有4#涵洞的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值10.0（N/mm2）。因此，完建期在不考慮耐久性等因素的情況下，4#涵洞混凝土結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度可以滿足要求。

根據(jù)分析結(jié)果，涵洞最大彎矩在底板邊墩連接處330kN·m，中墩頂部最大彎矩275kN·m，邊墩跨中最大彎矩為165kN·m。

混凝土強(qiáng)度等級改變時(shí)，結(jié)構(gòu)的配筋量變化不大，經(jīng)計(jì)算，實(shí)際配筋1414mm2＞1073mm2，滿足要求。

同理，結(jié)合剪力及彎矩等值線圖（如圖2、圖3），可知涵洞抗剪強(qiáng)度滿足要求。

2.4.2檢修期有限元分析

4#涵洞檢修期工況計(jì)算，方法同上，有限元分析計(jì)算計(jì)算結(jié)果見表2。

檢修期4#涵洞墩墻及頂板單元正應(yīng)力最大值為8833.21kN/m2≈8.8N/mm2，小于采用內(nèi)插法推定的現(xiàn)有4#涵洞的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值10.0（N/mm2）。

2.5 5#涵洞結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算

根據(jù)板單元有限元分析，5#涵洞墩墻及頂板單元正應(yīng)力最大值為7394.25kN/m2≈7.4N/mm2，略大于采用內(nèi)插法推定的現(xiàn)有5#涵洞的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值7.2（N/mm2），結(jié)構(gòu)不安全。

由于板單元模型屬于簡化模型，未考慮涵洞貼腳等因素，為確保計(jì)算準(zhǔn)確，采用Midas FEA結(jié)合Midas Civil對5#涵洞洞身進(jìn)行實(shí)體模型有限元分析。完建期實(shí)體單元應(yīng)力分析圖見圖4。

經(jīng)計(jì)算可知，完建期考慮貼腳作用涵洞洞身實(shí)體單元正應(yīng)力最大值為56693.2kN/m2≈5.7 N/mm2，小于C15混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值7.2（N/mm2），承載力尚能滿足安全要求。

同理，進(jìn)行檢修期實(shí)體單元應(yīng)力分析，檢修期考慮貼腳作用涵洞洞身實(shí)體單元正應(yīng)力最大值為6119.72kN/m2≈6.8N/mm2，小于C15混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值7.2（N/mm2），承載力滿足安全要求。

3　結(jié)論

綜合上述分析可知：目前完建期、運(yùn)行期及檢修期工況下結(jié)構(gòu)尚能安全運(yùn)行，但涵洞洞身混凝土強(qiáng)度不符合規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度等級要求，需對涵洞加固改造■