基于板單元的箱涵底板外伸對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響分析

屈錦康

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507)

0 引 言

鋼筋混凝土箱涵剛度大，耐久性好，易于養(yǎng)護，于軟土地基有較高適用性。箱涵按功能可分為過車、過人、過水箱涵；按使用場景可分為公路、市政箱涵。當箱涵凈跨、凈高較大時，涵身挖空率較高，地下水位較高的涵洞易存在抗浮問題，此時可通過底板外伸增加結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)；當箱涵跨徑較小、覆土厚度小于0.5 m時，計算箱涵最大基底應(yīng)力，荷載偏心距往往會超過底面核心半徑，基底最大壓應(yīng)力較大，此時也可通過底板外伸降低基底應(yīng)力水平。在進行箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計時，箱涵底板外伸應(yīng)用廣泛，但考慮底板外伸影響使得結(jié)構(gòu)計算、設(shè)計變得復雜，故設(shè)計人員往往忽略底板外伸部分影響進行結(jié)構(gòu)計算、配筋，此做法的可行性尚缺少相關(guān)研究支撐，故分析箱涵底板外伸對箱涵內(nèi)力的影響是有意義的。

1 研究思路

為研究箱涵底板外伸對箱涵內(nèi)力影響，取凈跨徑1.5 m、3 m和6 m，覆土厚度0.5 m、6 m，底板外伸與不外伸，排列組合后共計12種箱涵，按照實際荷載情況進行加載、計算。提取頂板支點、頂板跨中、底板支點、底板跨中、側(cè)墻跨中共計5個截面的內(nèi)力，比較底板外伸與不外伸時箱涵上述5個截面內(nèi)力變化。

2 計算模擬

2.1 材料力學指標

箱涵的混凝土標號為C35，計算容重為26 kN/m3；鋼筋型號為HRB400?；炷亮W指標表如表1所示。

表1 混凝土力學指標表

2.2 荷載取值

無底板外伸及底板外伸箱涵的荷載區(qū)別，主要為底板外伸箱涵需要考慮底板外伸處的覆土壓力，具體如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)計算簡圖

計算采用的設(shè)計參數(shù)按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)和《公路涵洞設(shè)計細則》(JTG/T D65-04-2007)的有關(guān)規(guī)定取值。

(1)結(jié)構(gòu)自重

按重度為26 kN/m3施加，取自重系數(shù)為1.04。

(2)覆土自重

由《公路涵洞設(shè)計細則》(JTG/T D65-04-2007)第9.2.2條，根據(jù)覆土厚度與涵外形寬度之比確定土壓力集中系數(shù)K，按土體重度為20 kN/m3，根據(jù)實際情況計算覆土自重集度。

(3)土側(cè)壓力

取內(nèi)摩擦角為30°，由《公路涵洞設(shè)計細則》(JTG/T D65-04-2007)第9.2.2條，側(cè)壓系數(shù)λ=0.333，偏安全考慮算至頂板底緣和底板底緣。

(4)車輪豎向荷載

車輪豎向荷載按土壓力30°擴散到涵頂，當覆土厚度大于0.5 m時，不考慮沖擊，不大于0.5 m時，取沖擊系數(shù)為0.3。按《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》(CJJ11-2011)第10.0.2條，取車輛作用于涵洞最不利位置進行加載。

(5)單側(cè)汽車土壓力

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)式H.0.1-3對單側(cè)汽車土壓力進行計算。

(6)溫度荷載

過水箱涵按±5 ℃；過人、過車箱涵按±10 ℃。

(7)地震作用：設(shè)計基本地震動峰值加速度取≤0.2 g，按《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)第9.0.3條和第7.2.3條。

2.3 有限元模擬

此次靜力計算建立板單元模型進行受力分析，采用midas civil 2018進行計算。結(jié)構(gòu)離散圖見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)離散圖

施工方法：按一次澆筑、一次落架進行計算，即采用一次激活。

邊界條件：在涵底和涵側(cè)施加土彈簧約束，取m值為10 000 kN/m4，涵洞軸向施加一個剛度非常小的節(jié)點彈性支撐，防止計算發(fā)生奇異。

2.4 作用效應(yīng)組合

本次研究采用基本組合，詳見《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)公式4.1.5-1，用于正截面抗彎承載力驗算和斜截面抗剪承載力驗算。

3 計算結(jié)果

篇幅所限，摘取3 m×2 m(凈跨×凈高)覆土0.5 m的箱涵內(nèi)力計算結(jié)果，如圖3所示。將上述12個模型所得的部分計算結(jié)果列出如表2所示。

圖3 頂板主彎矩圖

圖4 底板主彎矩圖

表2 計算結(jié)果提取表

4 結(jié) 論

比較相同凈跨徑、凈高、覆土厚度時，底板是否外伸時箱涵內(nèi)力變化趨勢。分析表2中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

(1)底板外伸后，頂板支點負彎矩基本呈現(xiàn)增大趨勢，頂板跨中正彎矩、底板支點負彎矩和底板跨中正彎矩均基本呈現(xiàn)減小趨勢；

(2)底板外伸后，覆土較小時，側(cè)墻跨中正彎矩減小，覆土較厚時，側(cè)墻跨中正彎矩增加；

(3)底板外伸后，頂板支點負彎矩最大增加8.2%，頂板跨中正彎矩最大減小4.0%，底板支點負彎矩最多減小6.7%，底板跨中正彎矩最多減小29%，側(cè)墻正彎矩最大增加13.9%，可見底板外伸對底板跨中正彎矩和側(cè)墻跨中正彎矩影響較大。

(4)在進行鋼筋混凝土箱涵設(shè)計時，不考慮底板外伸時將使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算出現(xiàn)4%～29%的誤差。當結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大時，會影響結(jié)構(gòu)安全性能；當結(jié)構(gòu)內(nèi)力減小時，會影響結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。

綜上，為確保結(jié)構(gòu)安全、耐久、適用、經(jīng)濟等原則，建議進行鋼筋混凝土箱涵計算、設(shè)計時，考慮結(jié)構(gòu)底板外伸的影響。