裝配式預(yù)制箱涵受力及穩(wěn)定性分析

■劉麗麗 李劉峰

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司，昌吉 831100)

0 引言

隨著城市道路日益復(fù)雜，越來(lái)越多的城市地下通道建設(shè)起來(lái)，尤其對(duì)于裝配式預(yù)制箱涵，由于其具有安裝速度快、經(jīng)濟(jì)效益高、施工方便、質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn)，在很多地方得以采用。然而，由于裝配式的自身需要連接拼湊的特點(diǎn)，對(duì)其力學(xué)特征分析尤為重要。近年來(lái)，有關(guān)裝配式預(yù)制箱涵分析如下：符碧惠、郭少昱等人[1，2]通過(guò)建立土涵相互作用三維有限元并對(duì)模型進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)平面框架模型在該類(lèi)箱涵的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，并改進(jìn)了傳統(tǒng)模型。柯代琳、黎曉林等人[3，4]以昌九高速公路改擴(kuò)建工程為例，進(jìn)行施工技術(shù)研究，結(jié)果表明在不中斷車(chē)輛通行的情況下，使用裝配式預(yù)制箱涵使得工期縮短，結(jié)構(gòu)質(zhì)量更好，對(duì)環(huán)境和安全影響小等特點(diǎn)。馬建勇、張?chǎng)H等人[5，6]采用有限元分析計(jì)算方法，并與施工全程監(jiān)測(cè)相比較，探索出一種較為新穎的裝配式涵洞，并將之與傳統(tǒng)形式涵洞的材料用量、經(jīng)濟(jì)性等進(jìn)行比較。本文主要以某地會(huì)展中心一裝配式預(yù)制箱涵地下通道為例，通過(guò)數(shù)值分析和理論計(jì)算手段，對(duì)裝配式預(yù)制箱涵的受彎、受剪進(jìn)行了分析，并對(duì)其變形和受力進(jìn)行描述，最后對(duì)其正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)算。

1 工程概況

某地會(huì)展中心為裝配式預(yù)制箱涵地下通道，該通道高為3.0m，跨度長(zhǎng)為5.0m，所用混凝土等級(jí)為C40，設(shè)計(jì)荷載是城-A級(jí)。

為了充分了解橋梁的承載力和安全性，對(duì)該會(huì)展中心地下通道進(jìn)行實(shí)地外觀檢查和材料性能指標(biāo)測(cè)試，并據(jù)此進(jìn)行了安全性能檢算。會(huì)展中心地下通道采用預(yù)制鋼筋混凝土箱涵拼接而成，一節(jié)預(yù)制箱涵長(zhǎng)度為2m，高度為3.7m，箱涵兩側(cè)板厚0.35m，上下板厚0.4m。具體的橫截面和縱向鋼筋布置見(jiàn)下圖1。

圖1 示意圖

2 數(shù)值建模

2.1 荷載情況

(1)通道頂部填土荷載

根據(jù) 《城市橋梁設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)》CJJ77-98中關(guān)于路基填方豎向壓力的計(jì)算規(guī)定，豎向壓力按下式計(jì)算：

其中H是填土高度，數(shù)值是3m；γ1是填土容重，取22kN/m3。

由于通道頂板的寬度是2m，所以填土相當(dāng)于在上面作用了以下均布荷載：

(2)汽車(chē)荷載

根據(jù) 《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ11-2011中的規(guī)定，汽車(chē)荷載分為城-A級(jí)和城-B級(jí)兩個(gè)等級(jí)。而汽車(chē)荷載一般又可以分為車(chē)輛和車(chē)道兩種荷載。車(chē)道荷載對(duì)應(yīng)的是計(jì)算橋梁整體結(jié)構(gòu)，車(chē)輛荷載對(duì)應(yīng)的是橋梁局部結(jié)構(gòu)，包括橋臺(tái)等。對(duì)于該通道結(jié)構(gòu)，采用車(chē)輛荷載來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算。由設(shè)計(jì)資料可知，該通道設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A級(jí)。城-A級(jí)車(chē)輛荷載的立面、平面、橫向布置見(jiàn)下圖2所示。由于篇幅限制，土側(cè)壓力作用、承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)(短期)、正常使用極限狀態(tài)(長(zhǎng)期)荷載狀況未列出。

表1 車(chē)輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 城-A級(jí)車(chē)輛荷載立面圖

2.2 模型建立

根據(jù)前面的受力圖示，利用大型有限元軟件Midas/Civil建立通道箱體的梁?jiǎn)卧c實(shí)體模型，如圖3所示，兩者互相校驗(yàn)，以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，得到了各個(gè)工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。其中除了各種受力單獨(dú)作用的工況外，還包括三種作用效應(yīng)的組合，分別如下：

(1)承載能力極限狀態(tài)

組合設(shè)計(jì)值1=1.2×自重+1.2×二期+1.2×土側(cè)壓力+1.4×車(chē)輛荷載

(2)正常使用極限狀態(tài)(短期)

組合設(shè)計(jì)值 2=1×自重+1×二期+1×土側(cè)壓力+0.7×車(chē)輛荷載

(3)正常使用極限狀態(tài)(長(zhǎng)期)

組合設(shè)計(jì)值 3=1×自重+1×二期+1×土側(cè)壓力+0.4×車(chē)輛荷載

下面分別列出了箱涵結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型以及在各種受力狀態(tài)下的應(yīng)力圖和內(nèi)力圖。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 模型受彎和受剪分析

圖3 梁?jiǎn)卧Ｐ?/p>

圖4 彎矩圖

如圖4和5所示，分別為模型的彎矩圖和剪力圖，本節(jié)從從自重作用、箱頂豎向土壓力作用、汽車(chē)荷載作用、土側(cè)壓力作用、承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)(短期)、正常使用極限狀態(tài)(長(zhǎng)期)方面對(duì)以上梁?jiǎn)卧Ｐ偷慕Y(jié)果可以看出，該地下通道頂板跨中和箱體角點(diǎn)的彎矩較大，同時(shí)箱體角點(diǎn)的剪力也較大。

圖5 剪力圖

3.2 模型變形和受力分析

為了較詳細(xì)地分析該地下通道箱體的結(jié)構(gòu)受力，采用實(shí)體單元來(lái)進(jìn)行有限元模擬分析，如圖6～9所示為該地下通道箱體有限元計(jì)算模型示意圖及其結(jié)果，最終箱體受力詳細(xì)情況列于表2。箱涵上部中心的變形最大，上部箱壁上邊界受壓，下邊界受拉。

圖6 地下通道箱體有限元計(jì)算模型

圖7 地下通道箱體變形圖(m)

圖8 地下通道箱體正應(yīng)力圖(kN·m)

圖9 地下通道箱體驗(yàn)算截面位置示意圖

表2 驗(yàn)算截面內(nèi)力表

根據(jù)表2，可進(jìn)行會(huì)展中心地下通道的承載能力驗(yàn)算，下節(jié)主要針對(duì)正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。

3.3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

(1)通道的抗裂驗(yàn)算

根據(jù) 《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》JTGD62-2004的規(guī)定，矩形截面的鋼筋混凝土構(gòu)件，其最大裂縫寬度可按下式計(jì)算。

式中：

c1——鋼筋表面形狀系數(shù)，對(duì)于光圓鋼筋，c1=1.0，對(duì)于帶肋鋼筋 ，該通道取1.0；

c2——作用(或荷載)長(zhǎng)期效應(yīng)影響系數(shù)，取1.37；

c3——與構(gòu)件受力性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，取1.15；

d——縱向受拉鋼筋的直徑(mm)，跨中截面驗(yàn)算時(shí)取25mm，角點(diǎn)截面驗(yàn)算時(shí)取20mm；

bf,hf——受拉翼緣的寬度與厚度，均為零；

h0——有效高度；

σss——由作用(或荷載)短期效應(yīng)組合引起的開(kāi)裂截面縱向受拉鋼筋在使用荷載作用下的應(yīng)力(MPa)，對(duì)于鋼筋混凝土受彎構(gòu)件

跨中截面驗(yàn)算時(shí)，σss=146MPa，角點(diǎn)截面驗(yàn)算時(shí)，σss=107.03MPa;

Es——鋼筋彈性模量(MPa)，此處Es=2.0×105MPa。

另外，根據(jù)《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》JTGD62-2004的規(guī)定，在正常使用極限狀態(tài)下鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫寬度，應(yīng)該按照作用(或荷載)短期效應(yīng)組合并考慮長(zhǎng)期效應(yīng)組合影響進(jìn)行計(jì)算，且不得超過(guò)規(guī)范規(guī)定的裂縫限值。對(duì)于處于I和Ⅱ條件下，裂縫寬度規(guī)定要小于等于0.20mm，而對(duì)于Ⅲ、Ⅳ類(lèi)下的受彎構(gòu)件，要求裂縫所允許的寬度小于等于0.15mm，極限狀態(tài)下該值為0.20mm。

(2)跨中截面抗裂驗(yàn)算

通道頂板跨中截面抗裂驗(yàn)算通過(guò)。

(3)角點(diǎn)截面抗裂驗(yàn)算

通道頂板角點(diǎn)截面抗裂驗(yàn)算通過(guò)。

(4)通道的撓度驗(yàn)算

受彎構(gòu)件在使用階段的撓度應(yīng)考慮作用 (或荷載)長(zhǎng)期效應(yīng)的影響，即按作用(或荷載)短期效應(yīng)組合和給定的剛度計(jì)算的撓度值，再乘以撓度長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)ηθ。梁式結(jié)構(gòu)最大撓度為l/600，懸臂結(jié)構(gòu)懸臂端為l1/300。此處，l為受彎構(gòu)件的計(jì)算跨徑，l1為懸臂長(zhǎng)度。

由有限元軟件計(jì)算可得結(jié)構(gòu)在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的撓度后的撓度值為1.840mm，則該通道頂板在消除了結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后的長(zhǎng)期撓度值為2.944mm＜1/600=9.67mm。該結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算通過(guò)。

4 結(jié)論

本文主要以某地會(huì)展中心一裝配式預(yù)制箱涵地下通道為例，通過(guò)數(shù)值分析和理論計(jì)算手段，對(duì)裝配式預(yù)制箱涵的受彎、受剪、變形和受力進(jìn)行了分析，最后對(duì)其正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行了驗(yàn)算，得到以下結(jié)論：

(1)模型的彎矩圖和剪力圖顯示，該地下通道頂板跨中和箱體角點(diǎn)的彎矩較大，同時(shí)箱體角點(diǎn)的剪力也較大。

(2)箱涵上部中心的變形最大，上部箱壁上邊界受壓，下邊界受拉。跨中和角點(diǎn)彎矩以及角點(diǎn)剪力均滿(mǎn)足要求。

(3)通過(guò)對(duì)通道的抗裂驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算，在最不利荷載作用下裂縫寬度沒(méi)有超出規(guī)范的限值，荷載作用下的跨中撓度小于規(guī)范容許值，滿(mǎn)足要求。