石長鐵路（DK73+436.63）1-5.0m框架涵檢測及結構分析計算

許成

摘要：在日常巡查中發現石長鐵路某一框架涵存在有較多裂縫，在裂縫普查的基礎上，采用有限元分析法，通過MIDAS軟件對該框架涵進行了結構驗算并分析了裂縫成因。結果表明：涵洞的承載力能力滿足活荷載安全承載要求，但框架涵頂板最大裂縫寬度0.50mm，需對頂板進行加固處治。

關鍵詞：有限元；框架涵；裂縫；承載力

近幾年對于箱涵的檢測與加固方面的工作做得比較多，很多專家都探討過涵身裂縫產生的原因：主要有荷載引起的、基礎沉陷、原材料不符合要求、溫度變化和鋼筋銹蝕等。

1.工程概況

石長鐵路始建于1998年，于2016年完成了電氣化改造，并對沿線的橋涵等都進行了加固。DK73+436.63 1-5.0m框架涵位于長沙市境內，該涵洞斷面尺寸為：凈寬5m（正交），邊墻厚0.5m（正交）、凈高4.2m，頂板高0.55m，底板高0.65m，涵洞全長17.8m（含兩側人行道懸臂板）。

2.涵洞裂縫調研數據分析

裂縫普查。由檢測結果可知：最大裂縫寬度0.50mm，側墻最大裂縫寬度0.22mm，超過規范規定的裂縫最大寬度限值（0.20mm）。因此，需要經過結構驗算來判定是否已經對結構的穩定性產生影響。

3.結構驗算分析

3.1檢算模型

本次模擬計算中取垂直于裂縫發展方向的單位長度板寬（1m）為檢算對象，分別采用有限元分析軟件MIDAS Civil、FEA進行建模分析，其中MIDAS Civil采用板單元模型、MIDAS FEA采用實體模型。Midas/civil軟件所采用的板單元，此單元是由同一平面上的3到4個節點構成的平板單元（Plate Element）。由于板單元考慮了局部的橫向剪切應力的影響，因此對于薄板單元或厚板單元都能計算出比較準確的結果。此模型以鐵路線路走向為X軸，涵洞走向為Z軸，豎直方向為Y軸建立坐標模型。論文中Midas/Fea全涵實體模型采用三維實體單元，并將初拉力賦予Midas/Fea模型單元。

3.2參數確定及假設

3.2.1恒載主要有：結構構件的自重（箱涵本身自重和道渣及鐵軌自重）、混凝土收縮的影響，參考相關規范假定：混凝土收縮降溫15℃計算，根據該涵洞基本情況調查和施工規范，對該部分工作結合臺后回填同時進行，采用C20素混凝土對臺后進行回填。因此本次檢算不考慮土壓力作用。

3.2.2活載有列車豎向靜活載和列車豎向動力作用（軌底以下深度為0.861m，小于1m）。

3.2.3溫度變化的作用主要考慮兩方面：整體升溫和整體降溫。

3.3裂縫發展情況預測

從混凝土應力云圖1中發現：極限抗拉強度在中間部位和箱涵頂部，當加大活載后，黃色區域較其他部分區域最先開始產生裂縫，由于應力集中作用活載箱涵頂部較中間部位首先產生裂縫，其次是中間黃色區域產生裂縫，最終沿兩側綠色區域緩慢發展。

4.裂縫成因分析

（1）頂板裂縫編號1#、3#、4#、5#，最大裂縫寬度為0.50mm，超過規范規定的0.20mm的限值；其發展方向與有限元計算預測裂縫發展方向一致，為正彎矩裂縫。（2）頂板裂縫編號2#、6#，最大裂縫寬度為0.14mm，該裂縫判斷為溫度及混凝土收縮引起的裂縫；本涵洞布置的加強筋均平行于自由邊及支承邊，應為該處裂縫產生的原因之一。（3）側墻豎向裂縫未延伸至頂板，路面無開裂，且涵洞無不均勻沉降跡象，可判定該裂縫為收縮裂縫。

5.結束語

通過對該處涵洞進行了裂縫普查和結構驗算，可得到如下結論：（1）結構驗算結果顯示：該框架涵的檢算對象部位應力、裂縫寬度均符合相關規范的規定，目前該涵洞的承載力能力滿足中活荷載安全承載要求；應加強垂直支撐邊方向頂板的配筋，限制裂縫繼續發展。（2）框架涵頂板最大裂縫寬度0.50mm，側墻最大裂縫寬度0.22mm，超過規范規定的裂縫最大寬度限值，主要原因是受力主筋布置方向與主彎矩方向不一致。（3）建議盡快對該涵洞頂板進行加固處理并加強觀測。

【參考文獻】

[1]林元錚，田石柱，柴明明，王大鵬.鋼筋混凝土箱涵裂縫檢測及加固性能研究[J].工程抗震與加固改造，2014，36（06）：116-123+129.

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