某漫水箱涵受力分析研究

向桂兵，鄧小康，李璐杰

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007；2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北　武漢　430000)

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某漫水箱涵受力分析研究

向桂兵1，鄧小康2，李璐杰1

(1.廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007；2.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北武漢430000)

文章結(jié)合某漫水箱涵工程實(shí)踐，對該箱涵進(jìn)行荷載分析和整體穩(wěn)定性分析，并采用Midas Civil軟件建模對箱涵進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析和截面驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，該箱涵設(shè)計(jì)安全合理，滿足規(guī)范要求，對類似工程設(shè)計(jì)有一定的參考意義。

箱涵；荷載分析；整體穩(wěn)定性分析；結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析；截面驗(yàn)算

0　引言

箱涵作為一種整體式框架結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)承載力高、整體穩(wěn)定性好、防滲性能好、地基適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。在公路工程設(shè)計(jì)中，小型橋涵方案優(yōu)化經(jīng)常遇到一些特殊情況，比如單孔小跨徑橋梁位置處地基承載力較低、漫水工程河流流量大水壓力強(qiáng)等，此時(shí)箱涵方案往往成為一種不錯的選擇。

本文以某漫水公路工程中的一座(4-5×2)m箱涵為例，對該涵洞的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行闡述，并從箱涵整體穩(wěn)定性及截面驗(yàn)算等方面進(jìn)行受力計(jì)算分析。

1　工程概況

本工程為跨越兩國界河的跨境漫水工程，根據(jù)兩國政府間談判協(xié)定，在界河河槽位置以界樁為中心設(shè)置一座(3×9)m小橋，由于中方側(cè)河灘緩坦，為滿足常水位過水要求，在中方側(cè)河灘位置設(shè)置一座(4-5×2)m箱涵，箱涵大樁號側(cè)設(shè)置5 m實(shí)心板與上述小橋橋臺相接。箱涵采用現(xiàn)澆閉合框架結(jié)構(gòu)，橫向?qū)挾?1.0 m，每孔凈空2.0 m，高度為3.30 m，頂板厚0.65 m，底板厚0.65 m，側(cè)板中板厚均為0.55 m，箱涵斷面如圖1所示。

圖1　箱涵斷面圖(單位：cm)

2　設(shè)計(jì)資料

2.1設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2.2荷載分析

本涵洞承受荷載包括涵身自重、涵頂鋪裝重量、河岸側(cè)恒載產(chǎn)生的臺后土壓力、河岸側(cè)活載等墻后土壓力、汽車荷載(含沖擊力)、大樁號側(cè)實(shí)心板恒載活載產(chǎn)生的豎向反力。在過水狀態(tài)下，側(cè)向水壓力將抵消部分臺后土壓力，對結(jié)構(gòu)受力有利，因此結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)本箱涵作為無壓涵洞考慮。

(1)恒載計(jì)算

涵頂鋪裝重量集度q=24×11×0.14=37.0 kN/m；

根據(jù)地質(zhì)資料，臺后填土內(nèi)摩擦角φ=25°，涵頂無覆蓋土。河岸側(cè)恒載產(chǎn)生的臺后土壓力：

頂板處：ep1=γHt2an(45°-φ/2)=0；

底板處：ep2=γ(H+h)t2an(45°-φ/2)=23×3.3×t2an32.50×11=338.9 kN/m。

大樁號側(cè)實(shí)心板恒載產(chǎn)生的豎向反力及力偶：

F1=24×11×5×0.69=455.4 kN；

M1=455.4×0.425=193.5 kN·m。

(2)活載計(jì)算

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值，取汽車荷載沖擊系數(shù)為0.3，汽車荷載垂直壓力：

因此汽車荷載水平壓力：

ep汽=94.8×11×t2an32.5°=423.2 kN/m。

大樁號側(cè)實(shí)心板活載最不利布置產(chǎn)生的豎向反力及力偶：

F2=(140+140×3.3/4.7)×2=476.6 kN；

M2=476.6×0.425=202.6 kN·m。

3　整體穩(wěn)定性分析

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)合本涵洞受力特點(diǎn)，分別對涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗浮、抗滑驗(yàn)算。

(1)抗浮驗(yàn)算

涵洞受力最不利淹沒狀態(tài)下，涵洞抗浮穩(wěn)定性系數(shù)為：

(2)抗滑驗(yàn)算

有水狀態(tài)下，箱涵基底摩阻系數(shù)取0.5，忽略側(cè)墻與回填土之間的摩阻力，按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)，流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值可按式(1)計(jì)算：

(1)

根據(jù)本項(xiàng)目水文計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)流速V=4.23 m/s，可求得：

因此抗滑穩(wěn)定性系數(shù)為：

4　結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算

4.1模型建立

運(yùn)用Midas/civil 2013對整個箱涵采用梁單元進(jìn)行建模計(jì)算，計(jì)算模型如圖2所示。全涵梁單元118個，節(jié)點(diǎn)數(shù)量167個。模型中除中腹板與底板交點(diǎn)位置考慮為固結(jié)外，其他底板單元均按彈性連接模擬與地基相連，底面彈性支撐系數(shù)SDZ=m×10×S，其中，根據(jù)地質(zhì)資料，按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63-2007)表P.0.2-1取值，非巖石地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m=30 000 kN/m4，求得SDZ=3 236 194.5 kN/m。

圖2　箱涵計(jì)算模型圖

4.2計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述模型計(jì)算結(jié)果，承載能力極限狀況荷載組合cLCB2(1.2恒載+1.4臺后土壓力+1.4移動荷載)作用下截面內(nèi)力值最大，荷載組合cLCB2作用下各單元包絡(luò)圖如圖3所示。正常使用狀況短期作用組合cLCB5(1.0恒載+1.0臺后土壓力+0.7移動荷載)各單元彎矩包絡(luò)圖如圖4所示，正常使用狀況長期作用組合cLCB6(1.0恒載+1.0臺后土壓力+0.4移動荷載)各單元彎矩包絡(luò)圖如圖5所示。

圖3　承載能力極限狀況cLCB 2組合作用下彎矩包絡(luò)圖

圖4　正常使用狀況cLCB 5組合作用下彎矩包絡(luò)圖

圖5　正常使用狀況cLCB 6組合作用下彎矩包絡(luò)圖

4.3截面配筋驗(yàn)算

截面配筋驗(yàn)算主要包括：(1)正截面受彎承載力驗(yàn)算；(2)斜截面受剪承載力驗(yàn)算；(3)裂縫寬度驗(yàn)算。

讀取模型計(jì)算內(nèi)力數(shù)據(jù)進(jìn)行截面驗(yàn)算：

(1)對于底板，clcb2組合作用下，大樁號側(cè)中腹板處底板負(fù)彎矩最大：Md1=-4 546.0 kN·m，Nd1=4 134.6 kN，大樁號側(cè)邊腹板處底板正彎矩最大：Md2=1 935.5 kN·m，Nd2=-1 089.4 kN，大樁號側(cè)中腹板處底板剪力最大：Vd1=2 270.4 kN。在短期組合作用clcb 5和長期組合作用clcb 6作用下，大樁號側(cè)中腹板處底板負(fù)彎矩最大：Ms=-3 437.1 kN·m，Ml=-3 222.0 kN·m。截面驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果如下：①斜截面抗剪驗(yàn)算：Vd1=2 270.4 kN<0.50×10-3α2ftdbh0=4 472.3 kN，滿足規(guī)范要求；②上部受力筋：φ25@125(43 199mm2，ρ=0.6%)>As=24 680 mm2，滿足規(guī)范要求；③下部受力筋：φ25@250(21 599mm2，ρ=0.3%)>As=10 220 mm2，滿足規(guī)范要求；④裂縫寬度：Wmax=0.12 mm

(2)對于頂板，同理，clcb 2組合作用下，大樁號側(cè)中腹板處頂板負(fù)彎矩和剪力最大，大樁號側(cè)邊腹板處頂板負(fù)彎矩最大，在短期組合作用clcb 5和長期組合作用clcb 6作用下，大樁號側(cè)中腹板處頂板正彎矩最大。截面驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果如下：①斜截面抗剪驗(yàn)算：Vd1=2 470.9 kN<0.50×10-3α2ftdbh0=4 472.3 kN，滿足規(guī)范要求；②上部受力筋：φ25@250(21 599mm2，

ρ=0.3%)>As=21 064 mm2，滿足規(guī)范要求；③下部受力筋：φ25@125(43 199mm2，ρ=0.6%)>As=27 095 mm2滿足規(guī)范要求；④裂縫寬度：Wmax=0.05 mm

(3)對于腹板，腹板與底板相交處截面內(nèi)力值最大，截面驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果如下：①斜截面抗剪驗(yàn)算：Vd1=2 746.3 kN<0.50×10-3α2ftdbh0=3 707.8 kN，滿足規(guī)范要求；②側(cè)面受力筋：φ25@250(21 599mm2，ρ=0.36%)>As=17 280 mm2，滿足規(guī)范要求；③裂縫寬度：Wmax=0.08 mm

5　結(jié)語

本文結(jié)合某漫水工程(4-5×2)m箱涵設(shè)計(jì)，并結(jié)合設(shè)計(jì)資料，對箱涵進(jìn)行了整體穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析計(jì)算。工程實(shí)踐表明，箱涵具有結(jié)構(gòu)承載力高、整體穩(wěn)定性好、地基適應(yīng)性強(qiáng)、工程造價(jià)低等特點(diǎn)，因此在小型橋涵方案比選中具有一定優(yōu)勢，其對類似工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

[1]JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]陳樹汪，李志厚.水下大斷面箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].公路，2007(10)：66-70，71.

Stress Analysis and Study of A Water-diffused Box Culvert

XIANG Gui-bing1，DENG Xiao-kang2，Li Lu-jie1

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Wuhan Municipal Engineering Quality Supervision Station，Wuhan，Hubei，430000)

In combination with a water-diffused box culvert engineering practice，this article conducted the load analysis and overall stability analysis on this box culvert，and through the modeling by Midas Civil software，it conducted the structural internal force analysis and sectional checking on this box cul-vert.The results showed that the design of this box culvert is reasonable，which satisfies the regulatory requirements，thus it has a certain reference value for similar projects.Keywords：Box culvert；Load analysis；Overall stability analysis；Structural internal force analysis；Sec-tional checking

2016-05-15

U449.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.016

1673-4874(2016)06-0061-03

向桂兵(1982—)，工程師，主要從事公路橋梁勘察設(shè)計(jì)工作;

鄧小康(1985—)，博士研究生，工程師，主要從事市政工程質(zhì)量監(jiān)督工作;

李璐杰(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要從事公路橋梁勘察設(shè)計(jì)工作。