梁格法分析現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱式通道

劉洪進，秦四飛，郭 銘

（1.淄博市規(guī)劃設計研究院，山東 淄博 255037;2.淄博市市政環(huán)境衛(wèi)生管理處，山東 淄博 255000;3.淄博市城市資產運營有限公司，山東 淄博 255000）

0 引言

淄博市高鐵北站站前廣場根據(jù)景觀規(guī)劃要求，在站前路兩側設置兩個下沉廣場，兩下沉廣場間設置人行通道，該通道為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形結構。由于施工及地質原因，在箱體側墻下設置樁基礎。箱體與樁基礎固結，同時底板下設置碎石墊層。鑒于通道底板及樁基礎共同與地基作用，使得該結構受力復雜。為精確掌握其受力狀態(tài)，設計中采用梁格法將箱體與樁基礎建立一體化空間模型，進行靜力及抗震分析。

1 工程概況

該通道總長60.6 m，共分為四節(jié)，節(jié)段間設置寬2 cm的變形縫。通道凈寬12.7 m，凈高3.4 m，頂板及側墻厚度為80 cm，底板厚60 cm，單箱單室結構形式。側墻底設置間距為5.1 m、直徑為1.2 m的鉆孔灌注樁基礎。

通道頂覆土厚度為1.5 m，設計荷載為城-A。

利用MIDAS/Civil 2015 Ver.8.3.2軟件對該通道結構進行承載能力極限狀態(tài)下的強度驗算和正常使用極限狀態(tài)下的裂縫寬度驗算及反應譜抗震驗算。

2 計算分析

2.1 模型概況

此次計算以空間梁格理論為基礎進行全橋整體結構空間建模。模型共劃分1 002個節(jié)點、1 754個單元；通道頂板、底板、側墻及樁基礎均采用空間梁單元模擬。

為保證結構受力的合理性，頂板和底板均設置偏心，并將頂板和側墻、底板和側墻之間的約束采用彈性連接中的剛性進行模擬，通道底板采用只受壓的節(jié)點彈性支承（點彈簧）來模擬地基土層對結構的彈性支撐作用。

下部結構中，樁基礎與通道主體之間的約束采用共節(jié)點方式進行模擬，利用合理模擬通道的縱橫向剛度構件，將兩者連成一個整體。利用“m”法計算土對樁基的約束效應，采用節(jié)點彈性支承模擬，樁底采用節(jié)點彈性支承模擬豎向約束剛度，如圖1所示。

2.2 荷載工況及荷載組合

根據(jù)該橋所處環(huán)境及設計標準，定義下列工況，見表1。

2.3 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗算

2.3.1 通道主體結構內力計算

根據(jù)計算模型的分析結果，在基本組合的包絡作用下，通道主體結構的頂板、底板和側墻的彎矩計算結果如圖2所示。

圖1 通道結構離散圖

表1 工況分類表

圖2 基本組合包絡作用下最不利彎矩示意圖

2.3.2 頂板、底板正截面抗彎強度驗算

該通道頂、底板的抗彎承載能力包絡圖如圖3所示。由彎矩包絡圖可知，所有截面的內力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。

2.3.3 頂板、底板斜截面抗剪強度驗算

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，需進行使用階段斜截面抗剪驗算。該通道頂、底板的抗剪承載能力包絡圖如圖4所示。由剪力包絡圖可知，所有截面的內力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。

圖3 使用階段正截面抗彎承載能力包絡圖

圖4 使用階段斜截面抗剪承載能力包絡圖

2.3.4 側墻軸心/偏心抗壓強度驗算

計算各截面偏心及軸心抗壓強度均滿足規(guī)范要求。

2.4 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗算

2.4.1 頂、底板裂縫寬度驗算

頂、底板最大裂縫寬度為0.185 mm＜0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

2.4.2 側墻裂縫寬度驗算

側墻的最大裂縫寬度為0.188 mm＜0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

2.5 地基承載力驗算

在底板設置節(jié)點彈性支承模擬基礎對通道的支承剛度，由通道整體分析模型可查得在標準組合作用下底板產生的反力并由此計算基礎承載力滿足。

2.6 樁基礎計算

2.6.1 樁基反力計算結果

樁基底反力最大值為331.9 kN。

2.6.2 樁基承載能力驗算

（1）樁基內力結果。可查得樁基在基本組合作用下的軸力、彎矩、剪力的計算數(shù)據(jù)。

（2）樁基承載能力驗算結果。由計算結果可知，該通道樁基最大軸壓力為435.0 kN≤11 746.5 kN，所有截面的內力均小于截面的抗力，滿足規(guī)范要求。

2.6.3樁基單樁承載能力驗算

在標準組合作用下，樁頂最不利軸力為2 466.0 kN和樁身自重與替代土重荷載差值為316.5 kN，小于樁基承載能力4 578.1 kN。

2.7 抗震計算

2.7.1 反應譜分析

該通道抗震設防類別為乙類，分區(qū)特征周期為0.45 s，場地類型為Ⅱ類，地震抗震設防裂度為7度，地震動峰值加速度系數(shù)為0.10g。可得E2地震作用下水平加速度設計反應譜函數(shù)。

全橋考慮土-箱涵主體解耦股的共同協(xié)同工作抵抗縱、橫橋向地震作用，真實模擬樁基礎，利用土彈簧模擬樁-土相互作用。對結構模型進行加速度反應譜分析計算，模態(tài)組合采用SRSS法。

2.7.2 特征值分析

基于上述情況，采用多重Ritz向量法進行結構動力特性分析。前2階主振型示意圖如圖5所示。

圖5 通道結構前2階振型示意圖

2.7.3 E2地震作用下反應譜分析結果

2.7.3.1 E2地震作用下樁基內力結果

樁基在E2地震作用下的軸力、彎矩、剪力（縱向、橫向）的計算結果生成包絡圖。對樁基在E2地震作用下的強度進行驗算，其驗算結果見表2（僅示出一個單元）。

表2 E2地震作用下樁基強度驗算

2.7.3.2 E2地震作用下頂位移計算結果

通道結構在E2地震作用下的位移（縱向、橫向）的計算結果如圖6、圖7所示。

圖6 E2地震作用下位移包絡圖（橫向）

圖7 E2地震作用下位移包絡圖（順向）

3 結語

鑒于該通道設置了樁基礎，樁基礎與底板共同作用于地基造成結構受力復雜，以往常規(guī)分析方法難以準確確定整體及局部的受力情況，采用梁格法建立主體結構及樁基礎一體的空間分析模型，可精確分析結構的整體及局部受力狀況，也可對上下部結構進行一體化抗震分析。