三維數值仿真技術在混凝土箱涵施工中的研究

李進亮

(河北省水利工程局，石家莊 050021)

1 前言

水利工程箱涵，即以鋼筋混凝土箱型管節修建的涵洞，是一種常見的重要輸水工程建筑物型式。因其具有地基壓應力均勻、整體性好、耐久性強、變形小、不影響河道泄洪和道路通行等特點，在輸水工程中應用較廣。

南水北調中線天津干線全長155.35km，分為6個設計單元。第2設計單元工程起點樁號為XW15+200，終點樁號為XW60+842，長45.680km。全線采用有壓鋼筋混凝土箱涵輸水方案。設計輸水流量50m3/s，加大輸水流量60m3/s。采用C30W6F150現澆混凝土結構，斷面為3(孔)×4.4m×4.4m。箱涵埋深3m左右，梯形開挖斷面(詳見圖1)。

圖1 箱涵典型斷面結構

2 技術研究路線

2.1 研究內容

為優化箱涵施工，針對保定1段箱涵進行兩階段(兩層澆筑法)及三階段(三層澆筑法)施工鋼筋混凝土箱涵變形情況三維數值仿真計算，分析不同澆筑方法時混凝土箱涵應力應變及箱涵拆模后應力應變分析。

2.2 三維分析模型建立情況

基于箱涵澆筑過程中鋼筋混凝土由于自重內力產生的位移及變形情況，采用三維快速拉格朗日分析計算程序FLAC3D，建立其三維數值分析模型，如圖2所示。同時，為便于后續分析，在模型中設置了25個監測點，監測應力及位移情況，監測點具體位置如圖3所示。

圖2 三維數值計算模型(不同顏色代表實際分階段情況)

圖3 監測點布置情況

3 三層澆筑法

結合混凝土澆筑實際情況，對齡期7天時箱涵澆筑、模板拆除中應力及變形情況進行分析。

3.1 澆筑底板

3.1.1 澆筑

底板澆筑后主應力分布情況如圖4、圖5所示。

圖4 底板澆筑后最大主應力分布云圖 單位:kPa

圖5 底板澆筑后最小主應力分布云圖 單位:kPa

由圖4、圖5可知，底板澆筑后所產生應力主要是由于自重應力作用所導致，底板澆筑后所產生最大主應力隨厚度的增加而增加，最大主應力極值一般出現于寬度方向兩端位置，達到26kPa左右。

3.1.2 拆模

齡期7天后，拆除底板澆筑模板，底板主應力分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 拆除底板澆筑模板后最大主應力分布云圖單位:kPa

圖7 拆除底板澆筑模板后最小主應力分布云圖單位:kPa

由圖6、圖7可知，齡期7天后，拆除底板澆筑模板時，相比較模板未拆除前主應力分布特征變化較小，基本與未拆除前保持一致，其中最大主應力位于寬度方向兩端位置，仍為26kPa左右。齡期7天模板拆除后，底板變形主要為豎直方向，同時，水平方向亦有較小變形，但兩個方向變形量值均較小，為10－2mm量級，最大位移達到1.0×10－2mm左右。

3.2 澆筑立墻

3.2.1 澆筑

立墻澆筑后底板主應力分布情況如圖8、圖9所示。

圖8 立墻澆筑后底板最大主應力分布云圖 單位:kPa

圖9 立墻澆筑后底板最小主應力分布云圖 單位:kPa

由圖8、圖9可知，底板由于立墻的澆筑，承受立墻自重作用而發生應力重分布現象，八角部位最大主應力達到90kPa左右。

3.2.2 拆模

齡期7天后，拆除立墻模板后主應力分布情況如圖10、圖11所示。

圖10 拆除立墻模板后最大主應力分布云圖 單位:kPa

圖11 拆除立墻模板后最小主應力分布云圖 單位:kPa

由圖10、圖11可知，齡期7天后，拆除立墻模板時，立墻及底板應力分布情況與齡期4天時相近，無明顯變化。齡期7天后拆除立墻模板，豎向及水平向變形情況與其他齡期較為一致，但由于齡期增加，豎向位移量及總體位移量值較小，最大量值為5×10－2mm左右。

3.3 澆筑頂板

3.3.1 澆筑

澆筑頂板后立墻及底板主應力分布情況如圖12、圖13所示。

圖12 澆筑頂板后立墻及底板最大主應力分布云圖單位:kPa

圖13 澆筑頂板后立墻及底板最小主應力分布云圖單位:kPa

由圖12、圖13可知，頂板澆筑后底板應力由于立墻自重的承壓作用而發生變化，八角位置應力可達到110kPa左右，而邊墻外表壁部分區域可達到130kPa左右。

3.3.2 拆模

齡期7天，頂板模板拆除后，由于模板的支撐作用消失，箱涵結構應力發生重新分布。立墻應力量值變大，主要應力集中部位為倒八角部位，量值達到360kPa左右。同時，頂板不同部位應力性質不同，頂板上部為壓應力、下層中間部分則為張拉應力，量值為－150kPa左右。

拆除頂板模板后箱涵變形情況如圖14～16所示。

圖14 箱涵豎直方向位移分布云圖 單位:10－2mm

圖15 箱涵水平方向位移分布云圖 單位:10－2mm

圖16 箱涵總位移分布云圖 單位:10－2mm

由圖14～16可知，拆除頂板模板后，箱涵結構主要變形位置為頂板，其中左右涵洞部位豎直位移達到80×10－2mm左右，同時由于頂板變形，水平寬度方向變形量達到20×10－2mm左右，其中總位移量為80×10－2mm左右，為兩側涵洞頂板位置。

4 兩層澆筑法

實際箱涵澆筑中均為先澆筑底板，并采用強度是否達到齡期28天強度的75%，作為判斷是否拆除模板的標準，故無論對于兩階段澆筑法抑或三階段澆筑法，均為先澆筑底板后，再分階段澆筑立墻和頂板或一次性澆筑。對于底板應力及變形情況，兩種澆筑方法相同，此處不重復分析兩階段澆筑法時底板的應力變形情況。

5 兩種方法對比分析

通過對不同工法及7天齡期情況下澆筑及模板拆除箱涵應力及變形情況數值模擬分析，結合不同監測點應力及位移情況，對兩層澆筑與三層澆筑法的應力及變形進行對比分析。

5.1 應力對比

兩種澆筑方法不同齡期時拆除模板后各監測點對應的最大主應力量值如圖17、圖18所示。

圖17 齡期4天時最大主應力 單位:kPa

圖18 齡期7天時最大主應力 單位:kPa

由圖17、圖18各監測點最大主應力在兩種不同澆筑方法下不同齡期時的量值大小可知，兩種方法的監測點最大主應力量值基本相近，即兩層或三層澆筑方法對箱涵體最大主應力分布的影響較小。

兩種澆筑方法不同齡期時拆除模板后各監測點對應的最小主應力量值如圖19、圖20所示。

圖19 齡期4天時最小主應力 單位:kPa

圖20 齡期7天時最小主應力 單位:kPa

由圖19、圖20各監測點最小主應力在兩種不同澆筑方法下不同齡期時的量值大小可知，兩種方法的監測點最小主應力量值亦基本相近，即兩層或三層澆筑方法對箱涵體最小主應力分布的影響較小。

5.2 位移對比

兩層、三層澆筑法對應不同齡期時拆除模板各監測點的位移情況如圖21、圖22所示。

圖21 齡期4天時監測點位移 單位:10－2mm

圖22 齡期7天時監測點位移 單位:10－2mm

由圖21、圖22可知，相同齡期不同澆筑方法對于箱體的變形量具有一定的影響，一般規律為三層澆筑法對應各監測點位移基本低于兩層澆筑法所對應位移值，即自箱涵體穩定性角度考慮，三層澆筑法更有利于箱涵的穩定。

6 結語

針對南水北調中線天津干線保定段，通過不同施工工藝及變形分析可知:無論采用兩層澆筑法或三層澆筑法，對最終模板拆除后應力分布影響較小。兩層澆筑法及三層澆筑法倒八角位置一般為應力集中區，頂板上層承受壓應力，下層一定區域則為張拉應力。相同齡期不同澆筑方法對于箱涵體的變形量具有一定影響，一般規律為三層澆筑法對應各監測點位移基本低于兩層澆筑法所對應位移值。從箱涵體穩定性角度考慮，三層澆筑法更有利于控制箱涵的位移?！?/p>