預制裝配式箱涵的實用計算方法研究

符碧惠，李玉紅

(1.海南高速公路股份有限公司，海南 海口 570203;2.上海千年工程建設咨詢有限公司，上海市 201108)

0 引言

我國中西部地區地域遼闊，公路建設里程長，路線多布設于沖積平原上，地表植被稀疏，匯水區域大，防洪、泄洪的需要決定了該地區公路建設中小橋涵在全線分布較多，工程量所占比重較大。

在公路建設施工過程中，小橋涵成為影響整個工程造價、質量和工期的關鍵因素之一。據有關公路資料不完全統計[1-2]，一般平原區每公里1～3道，山區3～5道，小橋涵的投資占公路建設總投資的20%左右，其投資規模遠大于大、中橋。

在我國當前公路建設中，小橋涵的結構型式多以蓋板涵、石拱涵、圓管涵為主，因施工方法、工藝、材料單一，所造成施工效率低下，建設速度緩慢，質量難以保證的現狀，長期困擾著廣大施工企業和建設部門。

預制裝配式箱涵由于能夠實現工廠化生產和快速化裝配，它具有如下優點：（1）預制裝配式箱涵的快速化裝配能夠縮短工期，不影響整個高速公路的修建，從而帶來直接和間接的經濟效益。（2）工廠化生產能夠有效控制涵節的施工質量，避免天氣條件等環境因素和不夠專業的施工人員施工作業的主客觀影響。（3）由于不需要采用模板，裝配化施工變得簡單，除了施工工期可以縮短外，施工人員也可以減少，從而也帶來經濟效益。（4）采用標準化的裝配式箱涵，可以簡化設計過程，縮短設計時間。（5）預制裝配式箱涵對地基承載力要求低，結構受力合理，結構剛度大，能夠適應各種地質條件。（6）只要采取的措施得當，預制裝配式箱涵的病害少，可維護性好，這樣可以節省維護成本。

此外，預制裝配式箱涵由于裝配的特點，需要分成很多涵節，對涵節之間的連接不當，會帶來涵節之間的錯節，嚴重時路面出現高低錯位，影響了路面的行車使用性能。

預制箱涵在國外已經被大量采用，美國、英國、加拿大、澳大利亞、日本等國均有預制箱涵的設計和施工規范[3]，并且有很多的專門生產預制箱涵的廠家，能夠提供很多尺寸和很多形式的預制箱涵。在國內，除了青藏鐵路、湖南常德至張家界高速等個別工程外，預制箱涵尚未在國內得到廣泛的推廣使用，缺乏相關研究，相應標準的制定相對滯后。

本文針對預制裝配式箱涵，對其實用計算方法開展研究，對傳統的箱涵簡化計算方法進行檢驗及改進，以確保設計分析方法合理。

1 實用計算方法研究思路

在傳統的計算方法中，對于箱涵均按平面框架方法[4]進行簡化計算，主要原理是：把箱涵橫截面簡化為一個框架，并且認為箱涵底部土壓力均勻分布，側面土壓力均勻變化。

為了驗證和改善傳統的簡化計算方法，以及進行縱向連接計算，本節研究將利用三維有限元實體分析方法，建立考慮箱涵周圍土體三維有限元模型，從箱涵周邊土壓力分布和箱涵自身內力分布特點出發，對平面框架的簡化計算方法進行驗證與改進。

2 平面框架簡化計算方法的校驗與改進

建立的實體有限元模型如下：箱涵凈跨2 m，凈高2 m，采用solid45單元模擬，在計算方法研究階段采用線性材料。箱涵的頂底板均為28 cm，側墻為28 cm，混凝土保護層為5 cm。材料用C30混凝土。取1 m長的涵節進行分析。土體采用solid45單元模擬，采用Drucker-Prager材料，彈性模量取30 MPa，泊松比取 0.25，密度為2 000 kg/m3，內聚力取100 kPa，內摩擦角取32°。基礎厚度為10 cm，基礎的材料為C20混凝土，填土高度為2 m。頂部填土以均布荷載考慮，底部土體用彈性地基模擬，側土和箱涵之間采用接觸連接，能夠模擬滑移。模型擁有節點4 332個，單元4 936個。圖1為2 m×2 m箱涵的土涵相互作用有限元模型，圖2為與箱涵側壁接觸的土體水平應力分布。

圖1 2×2 m箱涵的土涵相互作用有限元模型

圖2 與箱涵側壁接觸的土體水平應力分布

2.1 涵壁土壓力分布特性驗證

基于上述模型，僅考慮土體和箱涵自重，取2 m填土研究土壓力分布和箱涵內力分布特性進行研究，以驗證目前平面框架計算方法中“箱涵底部土壓力均勻分布，側面土壓力均勻變化”的土涵作用模型假定。

由圖3、圖4表明，目前的土壓力荷載簡化方式是基本準確，可以繼續使用。

圖3 2 m填土時側向土壓力分布圖

圖4 2 m填土時底板壓力分布圖

2.2 涵節的內力分布研究

下面將進一步分析在相同的荷載條件下，分析三維有限元模型與框架模型在內力上的計算差別，為平面框架計算方法的校驗與改進提供依據。

把上面得到的土壓力施加給平面框架模型，對比分析它們在內力計算上的差別。下面只給出頂板的分析結果對比圖（見圖5）。

圖5 基于平面框架分析法的彎矩圖

由圖6、圖7可見，由于箱涵實際的跨徑比中到中的計算跨徑小，因此，簡化方法算得的彎矩和剪力都比按實體有限元模型算得的稍大，簡化方法算得的彎矩和剪力用于設計是偏于安全的。

圖6 頂板彎矩圖對比

圖7 頂板剪力圖對比

從圖8可見，由于箱涵中到中的計算跨徑小于箱涵的外輪廓線，簡化的框架模型壓力分布的范圍比實際小，導致簡化方法算得的軸力比實體有限元模型得到的軸力小。

圖8 頂板軸力圖對比

本文采用如下方法對軸力計算模型進行修正：軸力都加上沒有考慮到的輪廓之外的荷載值。對于前面的結果進行軸力修正（見圖9），修正后的跨中軸力誤差都在4%以內。

圖9 頂板軸力修正后對比

2.3 修正后的預制箱涵實用計算方法

上述研究表明，已有的平面框架簡化法在分析預制裝配式箱涵時，對彎矩與剪力的分析是合理的，但不適用于軸力的分析。本文提出軸力計算需要加上沒有考慮到的輪廓之外的荷載值。分析表明修正后的軸力計算模型誤差可控制在4%以內。

此外，為了有利于提高箱涵的通用性，靜止土壓力系數取0.25或者0.5，按照最不利內力組合進行選擇。

3 結語

預制裝配式箱涵由于能夠實現工廠化生產和快速化裝配，在國外已廣泛使用，而目前國內僅在個別工程中應用，其研究開展與規程制定都相對滯后。

本文對預制裝配式箱涵的實用計算方法開展研究。通過土涵相互作用三維有限元模型分析，對傳統平面框架模型在該類箱涵的應用效果進行檢驗，改進了模型假設，建立了實用計算方法。研究表明本文實用方法準確快速，適合于工程設計使用。

[1]劉偉.公路小橋涵的設置與形式選擇[J].科技信息，2010(31)：346-346.

[2]劉會清.高速公路小橋涵測設探討[J].運輸經理世界，2003(9)：48-50.

[3]阮鐵鋒.新規范條件下箱涵設計的一點看法[J].建材與裝飾市場營銷，2010(7)：268-269.

[4]張新忱,魯禮信,趙軍鈴，等.半無限彈性地基上的箱涵內力計算[J].河北工業大學成人教育學院學報，2006(2)：45-49.