裝配式預制箱涵受力及穩定性分析

■劉麗麗 李劉峰

(新疆興亞工程建設有限公司，昌吉 831100)

0 引言

隨著城市道路日益復雜，越來越多的城市地下通道建設起來，尤其對于裝配式預制箱涵，由于其具有安裝速度快、經濟效益高、施工方便、質量有保證等優點，在很多地方得以采用。然而，由于裝配式的自身需要連接拼湊的特點，對其力學特征分析尤為重要。近年來，有關裝配式預制箱涵分析如下：符碧惠、郭少昱等人[1，2]通過建立土涵相互作用三維有限元并對模型進行分析，對傳統平面框架模型在該類箱涵的應用效果進行檢驗，并改進了傳統模型。柯代琳、黎曉林等人[3，4]以昌九高速公路改擴建工程為例，進行施工技術研究，結果表明在不中斷車輛通行的情況下，使用裝配式預制箱涵使得工期縮短，結構質量更好，對環境和安全影響小等特點。馬建勇、張鯤等人[5，6]采用有限元分析計算方法，并與施工全程監測相比較，探索出一種較為新穎的裝配式涵洞，并將之與傳統形式涵洞的材料用量、經濟性等進行比較。本文主要以某地會展中心一裝配式預制箱涵地下通道為例，通過數值分析和理論計算手段，對裝配式預制箱涵的受彎、受剪進行了分析，并對其變形和受力進行描述，最后對其正常使用極限狀態進行了驗算。

1 工程概況

某地會展中心為裝配式預制箱涵地下通道，該通道高為3.0m，跨度長為5.0m，所用混凝土等級為C40，設計荷載是城-A級。

為了充分了解橋梁的承載力和安全性，對該會展中心地下通道進行實地外觀檢查和材料性能指標測試，并據此進行了安全性能檢算。會展中心地下通道采用預制鋼筋混凝土箱涵拼接而成，一節預制箱涵長度為2m，高度為3.7m，箱涵兩側板厚0.35m，上下板厚0.4m。具體的橫截面和縱向鋼筋布置見下圖1。

圖1 示意圖

2 數值建模

2.1 荷載情況

(1)通道頂部填土荷載

根據 《城市橋梁設計荷載標準》CJJ77-98中關于路基填方豎向壓力的計算規定，豎向壓力按下式計算：

其中H是填土高度，數值是3m；γ1是填土容重，取22kN/m3。

由于通道頂板的寬度是2m，所以填土相當于在上面作用了以下均布荷載：

(2)汽車荷載

根據 《城市橋梁設計規范》CJJ11-2011中的規定，汽車荷載分為城-A級和城-B級兩個等級。而汽車荷載一般又可以分為車輛和車道兩種荷載。車道荷載對應的是計算橋梁整體結構，車輛荷載對應的是橋梁局部結構，包括橋臺等。對于該通道結構，采用車輛荷載來進行驗算。由設計資料可知，該通道設計荷載等級為城-A級。城-A級車輛荷載的立面、平面、橫向布置見下圖2所示。由于篇幅限制，土側壓力作用、承載能力極限狀態、正常使用極限狀態(短期)、正常使用極限狀態(長期)荷載狀況未列出。

表1 車輛荷載主要技術指標

圖2 城-A級車輛荷載立面圖

2.2 模型建立

根據前面的受力圖示，利用大型有限元軟件Midas/Civil建立通道箱體的梁單元與實體模型，如圖3所示，兩者互相校驗，以此進行結構分析，得到了各個工況下的結構內力。其中除了各種受力單獨作用的工況外，還包括三種作用效應的組合，分別如下：

(1)承載能力極限狀態

組合設計值1=1.2×自重+1.2×二期+1.2×土側壓力+1.4×車輛荷載

(2)正常使用極限狀態(短期)

組合設計值 2=1×自重+1×二期+1×土側壓力+0.7×車輛荷載

(3)正常使用極限狀態(長期)

組合設計值 3=1×自重+1×二期+1×土側壓力+0.4×車輛荷載

下面分別列出了箱涵結構的計算模型以及在各種受力狀態下的應力圖和內力圖。

3 數值結果分析

3.1 模型受彎和受剪分析

圖3 梁單元模型

圖4 彎矩圖

如圖4和5所示，分別為模型的彎矩圖和剪力圖，本節從從自重作用、箱頂豎向土壓力作用、汽車荷載作用、土側壓力作用、承載能力極限狀態、正常使用極限狀態(短期)、正常使用極限狀態(長期)方面對以上梁單元模型的結果可以看出，該地下通道頂板跨中和箱體角點的彎矩較大，同時箱體角點的剪力也較大。

圖5 剪力圖

3.2 模型變形和受力分析

為了較詳細地分析該地下通道箱體的結構受力，采用實體單元來進行有限元模擬分析，如圖6～9所示為該地下通道箱體有限元計算模型示意圖及其結果，最終箱體受力詳細情況列于表2。箱涵上部中心的變形最大，上部箱壁上邊界受壓，下邊界受拉。

圖6 地下通道箱體有限元計算模型

圖7 地下通道箱體變形圖(m)

圖8 地下通道箱體正應力圖(kN·m)

圖9 地下通道箱體驗算截面位置示意圖

表2 驗算截面內力表

根據表2，可進行會展中心地下通道的承載能力驗算，下節主要針對正常使用極限狀態進行驗算。

3.3 正常使用極限狀態驗算

(1)通道的抗裂驗算

根據 《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTGD62-2004的規定，矩形截面的鋼筋混凝土構件，其最大裂縫寬度可按下式計算。

式中：

c1——鋼筋表面形狀系數，對于光圓鋼筋，c1=1.0，對于帶肋鋼筋 ，該通道取1.0；

c2——作用(或荷載)長期效應影響系數，取1.37；

c3——與構件受力性質有關的系數，取1.15；

d——縱向受拉鋼筋的直徑(mm)，跨中截面驗算時取25mm，角點截面驗算時取20mm；

bf,hf——受拉翼緣的寬度與厚度，均為零；

h0——有效高度；

σss——由作用(或荷載)短期效應組合引起的開裂截面縱向受拉鋼筋在使用荷載作用下的應力(MPa)，對于鋼筋混凝土受彎構件

跨中截面驗算時，σss=146MPa，角點截面驗算時，σss=107.03MPa;

Es——鋼筋彈性模量(MPa)，此處Es=2.0×105MPa。

另外，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》JTGD62-2004的規定，在正常使用極限狀態下鋼筋混凝土構件的裂縫寬度，應該按照作用(或荷載)短期效應組合并考慮長期效應組合影響進行計算，且不得超過規范規定的裂縫限值。對于處于I和Ⅱ條件下，裂縫寬度規定要小于等于0.20mm，而對于Ⅲ、Ⅳ類下的受彎構件，要求裂縫所允許的寬度小于等于0.15mm，極限狀態下該值為0.20mm。

(2)跨中截面抗裂驗算

通道頂板跨中截面抗裂驗算通過。

(3)角點截面抗裂驗算

通道頂板角點截面抗裂驗算通過。

(4)通道的撓度驗算

受彎構件在使用階段的撓度應考慮作用 (或荷載)長期效應的影響，即按作用(或荷載)短期效應組合和給定的剛度計算的撓度值，再乘以撓度長期增長系數ηθ。梁式結構最大撓度為l/600，懸臂結構懸臂端為l1/300。此處，l為受彎構件的計算跨徑，l1為懸臂長度。

由有限元軟件計算可得結構在消除結構自重產生的撓度后的撓度值為1.840mm，則該通道頂板在消除了結構自重產生的長期撓度后的長期撓度值為2.944mm＜1/600=9.67mm。該結構撓度驗算通過。

4 結論

本文主要以某地會展中心一裝配式預制箱涵地下通道為例，通過數值分析和理論計算手段，對裝配式預制箱涵的受彎、受剪、變形和受力進行了分析，最后對其正常使用極限狀態進行了驗算，得到以下結論：

(1)模型的彎矩圖和剪力圖顯示，該地下通道頂板跨中和箱體角點的彎矩較大，同時箱體角點的剪力也較大。

(2)箱涵上部中心的變形最大，上部箱壁上邊界受壓，下邊界受拉。跨中和角點彎矩以及角點剪力均滿足要求。

(3)通過對通道的抗裂驗算和撓度驗算，在最不利荷載作用下裂縫寬度沒有超出規范的限值，荷載作用下的跨中撓度小于規范容許值，滿足要求。