鋼筋混凝土雙孔雨水箱涵結構分析

王 剛

(青島海西市政景觀設計咨詢有限公司，山東青島266000)

將箱涵模擬為三維板單元，更符合實際情況，特別是箱涵跨度較大時，實際設計中對箱涵結構進行細化分析時建議采用三維板單元模型。

1 箱涵結構分析

根據《公路涵洞設計細則》(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，根據排水量大小可以設計成一個或多孔。市政工程中遇到涵洞基礎出現軟弱基礎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算方法對雙孔雨水箱涵進行結構分析。

框架設計、計算，框架的軸線以構件混凝土上斷面的重心軸線為準。進行超靜定結構內力效應分析時，可按全截面考慮。實際設計中常采用的分析方法有:按規范要求將結構簡化為矩形框架，采用結構力學的分析方法進行荷載效應分析;采用桿系有限元軟件對結構進行建模分析;采用板殼有限元軟件對結構進行建模分析。

2 受力分析

某城市主干路路基頂寬40m，跨越山區河溝處按規劃修筑一條2孔3m×2m雨水過路箱涵，涵頂填土高度14.0m，地基承載力400kPa。擬建箱涵頂底板及側墻厚度均取0.4m，內側倒角0.25m，箱涵結構采用C40混凝土，按規范每隔4～6m設一道伸縮縫。受力示意圖如圖1所示。

箱涵受力分析結果包含剪力、彎矩及軸力，數據量較大，結構設計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點彎矩值。

圖1 箱涵受力圖

2.1 采用結構力學的分析

箱涵結構沿斷面的重心軸線簡化為外部無多余約束的超靜定矩形框架，按結構力學的超靜定分析方法進行求解，不考慮倒角節點的加強作用，計算結果按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)第4.1.6條進行承載能力極限狀態效應組合，結果如表1。

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、底板及側墻模擬為梁單元，截面尺寸按實際尺寸建模，倒角節點考慮為剛節點，箱箱涵基礎與地基的接觸模擬為一般彈性支承，分析結果如表2。

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，截面尺寸按按實際尺寸建模，箱涵基礎與地基的接觸模擬為一般彈性支承，分析結果如表3。

表3

經對比，第一種分析方法產生的荷載效應組合彎矩值最大，第二種分析方法產生的荷載效應組合彎矩值最小，最大相差56%。第三種板殼有限元結構分析方法與第一種分析結果最大相差30%。

3 結語

將箱涵結構簡化為矩形框架按結構力學分析的結果偏于安全。將箱涵簡化為梁單元建二維模型時，建議將側壁與頂、底板相交的角節點按普通節點考慮，如按剛節點考慮，則計算出的節點邊緣彎矩值較小。三種計算方法中將箱涵模擬為三維板單元，基礎考慮與土彈簧的相互作用更符合實際情況，特別是箱涵跨度較大時，實際設計中對箱涵結構進行細化分析時建議采用三維板單元模型。

:

［1］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］.

［2］JTGT D65－04－2007，公路涵洞設計細則［S］.

［3］JTG D63－2007，公路橋涵地基與基礎設計規范［S］.

［4］JTG D60－2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［5］公路橋涵設計手冊——涵洞［M］.人民交通出版社，1993.