三维数值仿真技术在箱涵混凝土浇筑中的应用

李进亮

（河北省水利工程局，石家庄 050021）

水利工程箱涵这种洞身以钢筋混凝土箱型管节修建的涵洞，是一种常见的重要输水工程建筑物型式。因其具有地基压应力均匀、整体性好、耐久性强、变形小、不影响河道泄洪和道路通行等特点，在输水工程中广泛应用。

南水北调中线天津干线全长155.352km，共分为6个设计单元。保定市1段，是天津干线中的第2设计单元。工程起点桩号XW15+200，终点桩号XW60+842，长45.680km。全线采用有压钢筋混凝土箱涵输水方案。设计输水流量50m3/s，加大输水流量60m3/s。采用C30W6F150现浇混凝土结构，断面为3（孔）×4.4m×4.4m。箱涵埋深3m，梯形开挖断面。如图1。

1 技术研究路线

1.1 研究内容

为了箱涵优化施工，针对保定1段箱涵进行两阶段（2层浇筑法）及三阶段（3层浇筑法）施工钢筋混凝土箱涵变形情况三维数值仿真计算，分析不同浇筑方法时混凝土箱涵应力应变和箱涵拆模后应力应变。

1.2 三维分析模型建立情况

基于箱涵浇筑过程中钢筋混凝土由于自重内力产生的位移及变形情况，采用美国Itasca公司开发的三维快速拉格朗日分析计算程序FLAC3D，建立其三维数值分析模型，如图2所示。同时，为便于后续分析，在模型中设置了25个监测点，监测应力及位移情况，如图3所示。

图2 三维数值计算模型（不同颜色代表实际分阶段情况）

2 3层浇筑法

结合混凝土浇筑实际情况，对龄期7d时箱涵浇筑、模板拆除中应力及变形情况进行分析。

2.1 浇筑底板

2.1.1 浇筑

底板浇筑后主应力分布情况如图4、图5所示。

图4 最大主应力分布云图

图5 最小主应力分布云图

由图4、图5可知，底板浇筑后所产生应力主要是由于自重应力作用所导致，底板浇筑后所产生最大主应力随厚度的增加而增加，最大主应力极值一般出现于宽度方向两端位置，达26kPa。

2.1.2 拆模

龄期7d拆除底板浇筑模板后底板主应力分布情况如图6、图7所示。

图6 最大主应力分布云图

图7 最小主应力分布云图

由图6、图7可知，龄期7d后拆除底板浇筑模板时，相比较模板未拆除前主应力分布特征变化较小，基本与未拆除前保持一致，其中最大主应力位于宽度方向两端位置，仍为26 kPa。龄期7d拆除底板模板后底板变形情况如图8～图10所示。

图8 竖直方向位移分布云图

图9 水平方向位移分布云图

图10 总位移分布云图

由图8～图10可知，龄期7d模板拆除后，底板变形主要为竖直方向，同时水平方向亦有较小变形，但两个方向变形量值均较小，为10-2mm量级，最大位移达1.0×10-2mm。

2.2 浇筑立墙

2.2.1 浇筑

立墙浇筑后底板主应力分布情况如图11、图12所示。

图11 最大主应力分布云图

图12 最小主应力分布云图

由图11、图12可知，底板由于立墙的浇筑，承受立墙自重作用而发生应力重分布现象，八角部位最大主应力达90kPa。

2.2.2 拆模

龄期7d拆除立墙模板后主应力分布情况如图13、图14所示。

图13 最大主应力分布云图

图14 最小主应力分布云图

由图13、图14可知，龄期7d拆除立墙模板时，立墙及底板应力分布情况与龄期4d时相近，无明显变化。立墙模板拆除后变形情况如图15～图17所示。

图15 竖直方向位移分布云图

由图15～图17可知，龄期7d后拆除立墙模板，竖向及水平向变形情况与其他龄期较为一致，但由于龄期增加，竖向位移量及总体位移量值较小，最大量值5×10-2mm。

2.3 浇筑顶板

2.3.1 浇筑

浇筑顶板后立墙及底板主应力分布情况如图18、图19所示。

由图18、图19可知，顶板浇筑后底板应力由于立墙自重的承压作用而发生变化，八角位置应力可达到110kPa，而边墙外表壁部分区域可达130kPa。

2.3.2 拆模

龄期7d拆除顶板模板后箱涵主应力分布情况如图20、图21所示。

图20 最大主应力分布云图

由图20、图21可知，顶板模板拆除后，由于模板的支撑作用消失，箱涵结构应力发生重新分布。立墙应力量值变大，主要应力集中部位为倒八角部位，量值达360kPa。同时，顶板不同部位应力性质不同，顶板上部为压应力、下层中间部分则为张拉应力，量值为-150kPa。

拆除顶板模板后箱涵变形情况如图22～图24所示。

图22 竖直方向位移分布云图

图23 水平方向位移分布云图

图24 总位移分布云图

由图22～图24可知，拆除顶板模板后，箱涵结构主要变形位置为顶板，其中左右涵洞部位竖直位移达到80×10-2mm，同时由于顶板变形，水平宽度方向变形量达到20×10-2mm，其中总位移量为80×10-2mm，为两侧涵洞顶板位置。

3 2层浇筑法

实际箱涵浇筑中均为先浇筑底板，并采用强度是否达到龄期28d强度的75%，作为判断是否拆除模板的标准，故无论对于两阶段浇筑法或三阶段浇筑法，均为先浇筑底板后，再分阶段浇筑立墙和顶板或一次性浇筑。对于底板应力及变形情况，两种浇筑方法相同，此处不重复分析两阶段浇筑法时底板的应力变形情况。

2层浇筑立墙及顶板浇筑和拆除应力情况如下。

3.1 浇筑

浇筑立墙及顶板后底板主应力分布情况如图25、图26所示。

图25 最大主应力分布云图

图26 最小主应力分布云图

由图25、图26可知，浇筑立墙及顶板后，底板由于立墙及顶板的压力作用而发生应力重分布现象。八角位置具有一定的应力集中现象，量值达110kPa。

3.2 拆模

龄期7d拆除立墙及顶板模板后箱涵主应力分布情况如图27、图28所示。

图27 最大主应力分布云图

图28 最小主应力分布云图

龄期7d拆除立墙及顶板模板后箱涵变形情况如图29～图31所示。

图29 竖直方向位移分布云图

图30 水平方向位移分布云图

图31 总位移分布云图

由图29～图31可知，龄期7d拆除顶板与立墙模板后，主要为竖直方向的变形，量值达1mm。但随着龄期的增加，该量值对应范围进一步减小，即变形量相应减小。

4 两种方法对比分析

通过对不同工法及7d龄期情况下浇筑及模板拆除箱涵应力及变形情况数值模拟分析，结合不同监测点应力及位移情况，对2层与3层浇筑法的应力及变形进行对比分析。

4.1 应力对比

两种浇筑方法不同龄期时拆除模板后各监测点对应的最大主应力量值如图32、图33所示。

由图32、图33各监测点最大主应力在两种不同浇筑方法下不同龄期时的量值大小可知，两种方法的监测点最大主应力量值基本相近，即2层或3层浇筑方法对箱涵体最大主应力分布的影响较小。

图33 龄期7d时最大主应力

两种浇筑方法不同龄期时拆除模板后各监测点对应的最小主应力量值如图34、图35所示。

图34 龄期4d时最小主应力

图35 龄期7d时最小主应力

由图34～图35各监测点最小主应力在两种不同浇筑方法下不同龄期时的量值大小可知，两种方法的监测点最小主应力量值亦基本相近，即2层或3层浇筑方法对箱涵体最小主应力分布的影响较小。

4.2 位移对比

2层、3层浇筑法对应不同龄期时拆除模板各监测点的位移情况如图36、图37所示。

图37 龄期7d时监测点位移

由图36～图37可知，相同龄期不同浇筑方法对于箱体的变形量具有一定影响，一般规律为3层浇筑法对应各监测点位移基本低于2层浇筑法所对应位移值，即自箱涵体稳定性角度考虑，3层浇筑法更有利于箱涵的稳定。

5 结语

对于南水北调中线天津干线保定段而言，通过不同施工工艺及变形分析可知，无论采用2层浇筑法或3层浇筑法，对最终模板拆除后应力分布影响较小。2层浇筑法及3层浇筑法倒八角位置一般为应力集中区，顶板上层承受压应力，下层一定区域则为张拉应力。相同龄期不同浇筑方法对于箱涵体的变形量具有一定的影响，一般规律为3层浇筑法对应各监测点位移基本低于2层浇筑法所对应位移值。从箱涵体稳定性角度考虑，3层浇筑法更有利于控制箱涵的位移。

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