鋼筋混凝土雙孔雨水箱涵結(jié)構(gòu)分析

王剛

[摘要]采用框架結(jié)構(gòu)、二維有限元及三維有限元對箱涵受力狀態(tài)進(jìn)行建模分析，通過對受力結(jié)果分析比對，對實(shí)際設(shè)計(jì)中采用何種分析方法提出建議。

[關(guān)鍵詞]鋼筋混凝土；結(jié)構(gòu)分析

文章編號：2095-4085（2015）12-0034-02

將箱涵模擬為三維板單元，更符合實(shí)際情況，特別是箱涵跨度較大時，實(shí)際設(shè)計(jì)中對箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化分析時建議采用三維板單元模型。

1 箱涵結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTGT D65-04-2007）9.3.4條鋼筋混凝土箱涵可按矩形箱涵指的是洞身以鋼筋混凝土箱形管節(jié)修建的涵洞，可以作為雨水涵洞、壓力輸水管涵、地下通道等多重用途，常用的排水箱涵孔徑一般不大于4米，個別情況不大于5米，根據(jù)排水量大小可以設(shè)計(jì)成一個或多孔。市政工程中遇到涵洞基礎(chǔ)出現(xiàn)軟弱基礎(chǔ)或者高填土而地基承載力較低的情況，一般會采用鋼筋混凝土箱涵。下面筆者通過三種不同計(jì)算方法對雙孔雨水箱涵進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

框架設(shè)計(jì)、計(jì)算，框架的軸線以構(gòu)件混凝土上斷面的重心軸線為準(zhǔn)。進(jìn)行超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力效應(yīng)分析時，可按全截面考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)中常采用的分析方法有：按規(guī)范要求將結(jié)構(gòu)簡化為矩形框架，采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析方法進(jìn)行荷載效應(yīng)分析；采用桿系有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析；采用板殼有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析。

2 受力分析

某城市主干路路基頂寬40m，跨越山區(qū)河溝處按規(guī)劃修筑一條2孔3mx2m雨水過路箱涵，涵頂填土高度14.0m，地基承載力400kPa。擬建箱涵頂?shù)装寮皞?cè)墻厚度均取0.4m，內(nèi)側(cè)倒角0.25m，箱涵結(jié)構(gòu)采用C40混凝土，按規(guī)范每隔4～6m設(shè)一道伸縮縫。受力示意圖如圖1所示。

箱涵受力分析結(jié)果包含剪力、彎矩及軸力，數(shù)據(jù)量較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中彎矩對配筋影響較大，由于篇幅有限，因此以下分析表格中僅列出各節(jié)點(diǎn)彎矩值。

2.1 采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析

箱涵結(jié)構(gòu)沿?cái)嗝娴闹匦妮S線簡化為外部無多余約束的超靜定矩形框架，按結(jié)構(gòu)力學(xué)的超靜定分析方法進(jìn)行求解，不考慮倒角節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)作用，計(jì)算結(jié)果按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.1.6條進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)效應(yīng)組合，結(jié)果如表1。

2.2采用二維有限元軟件的分析

采用桿系有限元建模，將箱涵頂、底板及側(cè)墻模擬為梁單元，截面尺寸按實(shí)際尺寸建模，倒角節(jié)點(diǎn)考慮為剛節(jié)點(diǎn)，箱箱涵基礎(chǔ)與地基的接觸模擬為一般彈性支承，分析結(jié)果如表2。

2.3 采用三維有限元軟件的分析

采用板殼有限元建模，將箱涵單元整體模擬為板單元，截面尺寸按按實(shí)際尺寸建模，箱涵基礎(chǔ)與地基的接觸模擬為一般彈性支承，分析結(jié)果如表3。

經(jīng)對比，第一種分析方法產(chǎn)生的荷載效應(yīng)組合彎矩值最大，第二種分析方法產(chǎn)生的荷載效應(yīng)組合彎矩值最小，最大相差56%。第三種板殼有限元結(jié)構(gòu)分析方法與第一種分析結(jié)果最大相差30%。

3 結(jié)語

將箱涵結(jié)構(gòu)簡化為矩形框架按結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的結(jié)果偏于安全。將箱涵簡化為梁單元建二維模型時，建議將側(cè)壁與頂、底板相交的角節(jié)點(diǎn)按普通節(jié)點(diǎn)考慮，如按剛節(jié)點(diǎn)考慮，則計(jì)算出的節(jié)點(diǎn)邊緣彎矩值較小。三種計(jì)算方法中將箱涵模擬為三維板單元，基礎(chǔ)考慮與土彈簧的相互作用更符合實(shí)際情況，特別是箱涵跨度較大時，實(shí)際設(shè)計(jì)中對箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化分析時建議采用三維板單元模型。