某湖水下導流箱涵結構受力分析研究

王云WANG Yun；徐海天XU Hai-tian

（①中國十九冶集團有限公司，成都 610031；②四川省第六建筑有限公司，成都 610081）

0 引言

箱涵是重要的交通基礎設施之一，是常見的涉水或地下建筑物，廣泛應用于公路、鐵路、堤防、雨污水管道以及各類管線通道等，其安全價值和經濟價值不言而喻。[1-2]鋼筋混凝土箱涵采用整體閉合式框架結構，具有良好的穩定性、剛度大、變形小、承載力高、抗震性能好、防滲性能好、地基適應性強、工程投資小、結構形式簡單以及參數化設計等特點[3-5]，同時考慮生態環境、線性要求、城市規劃等因素[6]，在建設工程領域應用越來越廣泛。

楊振琨等[7]以某壩下排水箱涵為例，采用ARSA 軟件對箱涵進行結構受力計算分析，結果表明在各種荷載作用下箱涵主要以受壓為主，最大內力一般發生在箱涵的底部。侯緒亞等[8]基于Autobank 軟件分析連續介質有限深度彈性地基上雙孔箱涵在有無邊荷載作用下受力變形研究，研究表明結構受力符合規律且在實際工程中宜考慮邊荷載作用。陳樹汪等[9]研究了某水下單孔矩形箱涵在全淹沒、半淹沒、無水等三種工況下的結構變形和承載力，其結構變形以豎向為主；同時在水壓力的作用下，結構會發生側移且位移不大，不影響工程運營使用。Maekawa K 等[10]研究發現鋼筋混凝土箱涵的側板是為了抵抗由軸向推力和與水平荷載相關的豎向荷載和剪力的組合所產生的彎曲變形，而頂板和底板是為了抵抗由豎向荷載產生的具有大剪力的彎矩。

鋼筋混凝土箱涵結構相對簡單，與其他結構的不同之處在于內部空間是空的[11]，由頂板、底板和側板組成，但其與土體、水體之間的受力特性是比較復雜的[12]。考慮水體-箱涵-土體之間相互作用，可以利用有限元分析軟件進行數值分析[13]。本文以某湖水下導流箱涵為例，研究其在常規荷載作用下的結構變形和沉降規律，對箱涵在水下結構設計[14]、變形規律研究等方面具有重要的指導意義。

1 工程概況

某湖與河渠相連，河渠水質不穩定，在枯水期惡劣水體滯留在湖區，水體富營養化嚴重，湖區水環境極差，嚴重影響周圍生態環境形象。該湖面積約39730m2，庫容約2.98 萬m3，為了達到水環境綜合治理效果，河渠穿越湖區采用箱涵進行導流，使河渠和湖區水體分離，湖區在上游河渠采用泵站抽水并進行水質處理后使用。

新建導流箱涵288.13m，上下游與原河渠銜接。箱涵布置三孔，邊孔凈空尺寸為4.25m×2.00m（寬×高），中孔尺寸為4.10m×2.00m（寬×高）。箱涵采用C30 鋼筋混凝土澆筑，底板及側墻厚度為40cm，頂板厚度為30cm，中部隔墻厚度為30cm。箱涵基礎置于預碾壓后的松散砂卵石層上，進口底板高程為536.60m，出口底板高程為536.04m，進出口通過5.00m 長的水平段和1:1.5 的斜坡與原渠道底部相接，并采用20cm 厚C25 鋼筋混凝土保護渠道底部和原渠道襯砌基礎。在箱涵起止點頂板上部垂直水流方向布置“一字”擋水墻以保證西湖正常蓄水位為539.00m，擋水墻頂高程為539.00m，擋水墻采用懸臂結構且兩端伸入岸邊土體。箱涵置于預碾壓后的松散砂卵石層上，地基承載力不小于0.3MPa。

2 地質條件

河渠堤經過地層從上至下依次為素填土、湖積淤泥質粉質粘土層、第四系沖洪積層（Q4al+pl）粉土層，下部為松散～密實狀卵礫石夾砂層。借鑒臨近工程抽水試驗成果，卵石層滲透系數取25m/d，屬強透水層。

3 有限元分析

3.1 模型建立

本文采用ANSYS 軟件進行數值計算，鋼筋采用LINK8 單元，混凝土采用SOLID65 實體單元，采用多線性等向強化本構模型模擬混凝土。模型共計單元總數2150058 個，其中混凝土單元1866240 個，鋼筋單元283818 個，節點總數2520398。

3.2 模擬方案

根據箱涵結構的實際運行條件，考慮了有水運行期和無水運行期2 種工況，詳見表1。有限元實體單元計算暫未考慮溫度及混凝土收縮，同時為體現箱涵結構、水文地質條件、箱涵運行等情況進行綜合分析，湖內的水均是按蓄滿水考慮，箱體外部均考慮外水壓力和浮托力，有水運行期按箱涵內滿水，無水運行期按箱涵內無水且無壓力。

表1 工況組合

3.3 分析結果

為深入分析箱涵在水下的基本情況，沿水流方向整體均分方式提取5 個斷面，即斷面1（M1，進水口位置）、斷面2（M2，靠進水口位置）、斷面3（M3，中間位置）、斷面4（M4，靠出水口位置）和斷面5（M5，出水口位置）。

3.3.1 變形分析

箱涵結構的變形量大小作為決定結構穩定性的重要指標，兩組工況的豎向位移見圖1 所示。由圖可知，兩組工況位于水下，變形以豎向變形為主，豎向變形最大值為-0.1665mm，對應的工況和位置分別為有水運行期、斷面5（M5）。

圖1 豎向位移（mm）

3.3.2 應力分析

針對變形結果分析可知，M5 在無水運行期、有水運行期的變形量最大，則應力分析選擇有水運行期的M5，如圖2、圖3 所示。

圖2 無水運行期M5 應力云圖

由圖2（1）等效應力分析可知，最大拉應力為0.927MPa，位于右孔頂板左下部加腋部位內側，最小拉應力為0.001MPa，位于右孔底板中上部；由圖2（2）第1 主應力分析可知，最大拉應力為0.779MPa，位于左孔頂板右上部；最大壓應力為0.626MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內側；由圖2（3）第3 主應力分析可知，最大拉應力為0.005MPa，位于中間隔墻頂板上部；最大壓應力為1.036MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內側。

由圖3（1）等效應力分析可知，最大拉應力為0.923MPa，位于右孔頂板左下部加腋部位內側，最小拉應力為0.007MPa，位于中孔頂板中上部；由圖3（2）第1 主應力分析可知，最大拉應力為0.802MPa，位于左孔頂板右上部；最大壓應力為0.628MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內側；由圖3（3）第3 主應力分析可知，最大拉應力為0.005MPa，位于中間隔墻頂板上部；最大壓應力為1.033MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內側。

4 結論

隨著城市和工業發展，城市河渠水環境較差，其治理是城市發展的必經之路，并根據河渠特點、問題及成因、治理目標等方面提出針對性綜合治理方案，如控源截污、內源治理、生態修復和活水提質等，切實提升河渠的水生態環境治理。本文以某湖擬建導流箱涵為例，根據箱涵結構、水文地質條件、實際運行條件等，深入分析箱涵在水下的基本情況，考慮了有水運行期和無水運行期2 種工況，結合有限元軟件ANSYS 分析結果，研究了某湖水下箱涵的受力分析特點，主要包括以下幾點：①導流箱涵存在水流坡度，則出水口標高比進水口低，出水口變形量最大。②導流箱涵的兩組工況均位于水下，結構變形以豎向變形為主，豎向變形最大值為-0.1665mm，對應的工況和位置分別為有水運行期、斷面5（M5）。③導流箱涵在無水運行期，最大拉應力為0.927MPa（等效應力）且為位于斷面5（M5）右孔頂板左下部加腋部位內側。