边荷载对箱涵结构内力的影响分析

赵永刚 钟恒昌 吴文东

（中水淮河规划设计研究有限公司 蚌埠 233001）

1 概况

埋置于土中的箱涵受力体系为“结构—地基”模式，其结构应力受地基土性状、洞身周边填土特性和地基开挖再回填的边荷载等因素影响，严格地讲，应按空间问题分析其应力分布状况，计算极为繁冗，因此在工程实践中，往往近似地简化成平面问题，采用“截板成梁”方法构建成为弹性地基上的整体框架结构进行计算。

弹性地基上的整体框架结构内力分析大致有四类方法：一是反力直线法，假定基底反力为直线分布，此法适用于相对密度小于或等于0.50的砂土地基；二是基础梁法，将结构与地基接触的基础部分简化为弹性地基上的基础梁板进行计算，不考虑上部结构对基础的制约作用；三是有限元法，将上部结构、基础、地基离散为各种形式的单元，建立弹性连续介质地基模型，采用组合有限元法进行分析；四是半解析—子结构法，用有限元法求解上部结构和基础的单元位移，用解析法求出各种地基模型下的沉陷系数，利用位移协调条件和结构平衡条件求得地基反力，进而求解上部结构和基础的内力、位移。

对箱涵边荷载是指计算单元的箱体两侧的箱涵或边孔侧回填土作用于地基上的荷载。边荷载对建筑物结构应力的影响，与地基土质、边荷载强度、作用位置、地基可压缩土层厚度以及边荷载施加程序等因素有关，情况是十分复杂的。在分析结构应力时，应同时考虑地基土质及边荷载施加程序对应力的影响，以此确定边荷载计算百分数，但计算工作量大，因此在工程设计中作一些原则性的考虑。如现行的《水闸设计规范》规定，采用弹性地基梁法分析底板应力，当边荷载使底板内力增加时，则全部计及其影响；当边荷载使底板内力减少时，粘性土地基不考虑其影响，砂性土地基仅考虑50%。

2 算例

2.1 工程资料

三孔一联箱涵（多联组成的中间联），单孔净尺寸6.80m（ 宽）×8.00m（ 高），顶板、中隔墙、侧墙均厚 1.00 m，底板厚1.30 m，箱涵结构如图1所示，混凝土强度等级为C25，素混凝土垫层为C15。

箱涵座落在中密状粉细砂上，直接快剪C=4kPa，φ=37°,标准贯入击数21击，允许承载力210kPa，建基面以下层厚约13.50m。下层为中密到密实状细砂，标准贯入击数25击，允许承载力250kPa，钻头进入该土层约4.50m，未穿透。

2.2 计算模型

可压缩土层厚度与弹性地基梁半长之比值n=1.45，介于0.25～2.0之间，可按有限深的弹性地基计算。箱涵钢筋混凝土的重力密度 γ=25kN/m3，弹性模量E=2800MPa，泊松比υc=0.167；粉细砂层的弹性模量E=20MPa，泊松比υc=0.31；细砂层的弹性模量E=30MPa，泊松比υc=0.30。

为了简化计算，箱涵结构内力分析仅考虑工程完建后投入运行初期，整体框架结构承受荷载条件下弹性地基上的框架结构应力分析。作用在箱涵上的荷载有：（1）除底板外的结构自重；（2）作用顶板的荷载 q1=80kN/m；（3）作用侧墙的荷载q3=q4=0kN/m（内外水压抵消）；（4）地基反力由位移协调条件和结构平衡条件求得；（5）边荷载作用范围取一联箱涵底板长度24.4m，计入100%边荷载q5=120kN/m，计入50%边荷载q5=60kN/m。

2.3 内力计算

当前，计算机的应用普及各个领域，工程计算自动化程度越来越高，弹性地基上的框架法采用电算比手算方便得多。本文采用一款电算软件进行计算，边荷载计算百分数为0%、50%和100%。基于对地基塑性变形可使地基反力重分布设计采用反力直线分布法校核。

3 计算成果分析

考虑边荷载计算百分数为0%、50%和100%下弹性地基上框架法及反力直线分布法的箱涵结构内力计算成果详见表1，成果数据表明：（1）边荷载增大使地基反力趋于更均匀，箱涵结构内力弯矩图趋于反力直线分布法计算成果；（2）有限深压缩层地基模型考虑边荷载和不考虑边荷载的计算结果相差较大；（3）底板正弯矩（最大值）随计入边载比例增加而增大，负弯矩（最大值）随计入边载比例增加而减小；（4）顶板正、负弯矩（最大值）均随计入边载比例增加而增大；（5）考虑本案例荷载的特殊性，侧墙弯矩增减百分比偏大，但随计入边载比例增加其墙顶弯矩减小，而墙底弯矩增大的影响趋势不变；（6）设计采用反力直线分布法校核是有必要的

表1 箱涵结构内力计算成果统计表