钢筋混凝土双孔雨水箱涵结构分析

王刚

[摘要]采用框架结构、二维有限元及三维有限元对箱涵受力状态进行建模分析，通过对受力结果分析比对，对实际设计中采用何种分析方法提出建议。

[关键词]钢筋混凝土；结构分析

文章编号：2095-4085（2015）12-0034-02

将箱涵模拟为三维板单元，更符合实际情况，特别是箱涵跨度较大时，实际设计中对箱涵结构进行细化分析时建议采用三维板单元模型。

1 箱涵结构分析

根据《公路涵洞设计细则》（JTGT D65-04-2007）9.3.4条钢筋混凝土箱涵可按矩形箱涵指的是洞身以钢筋混凝土箱形管节修建的涵洞，可以作为雨水涵洞、压力输水管涵、地下通道等多重用途，常用的排水箱涵孔径一般不大于4米，个别情况不大于5米，根据排水量大小可以设计成一个或多孔。市政工程中遇到涵洞基础出现软弱基础或者高填土而地基承载力较低的情况，一般会采用钢筋混凝土箱涵。下面笔者通过三种不同计算方法对双孔雨水箱涵进行结构分析。

框架设计、计算，框架的轴线以构件混凝土上断面的重心轴线为准。进行超静定结构内力效应分析时，可按全截面考虑。实际设计中常采用的分析方法有：按规范要求将结构简化为矩形框架，采用结构力学的分析方法进行荷载效应分析；采用杆系有限元软件对结构进行建模分析；采用板壳有限元软件对结构进行建模分析。

2 受力分析

某城市主干路路基顶宽40m，跨越山区河沟处按规划修筑一条2孔3mx2m雨水过路箱涵，涵顶填土高度14.0m，地基承载力400kPa。拟建箱涵顶底板及侧墙厚度均取0.4m，内侧倒角0.25m，箱涵结构采用C40混凝土，按规范每隔4～6m设一道伸缩缝。受力示意图如图1所示。

箱涵受力分析结果包含剪力、弯矩及轴力，数据量较大，结构设计中弯矩对配筋影响较大，由于篇幅有限，因此以下分析表格中仅列出各节点弯矩值。

2.1 采用结构力学的分析

箱涵结构沿断面的重心轴线简化为外部无多余约束的超静定矩形框架，按结构力学的超静定分析方法进行求解，不考虑倒角节点的加强作用，计算结果按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.1.6条进行承载能力极限状态效应组合，结果如表1。

2.2采用二维有限元软件的分析

采用杆系有限元建模，将箱涵顶、底板及侧墙模拟为梁单元，截面尺寸按实际尺寸建模，倒角节点考虑为刚节点，箱箱涵基础与地基的接触模拟为一般弹性支承，分析结果如表2。

2.3 采用三维有限元软件的分析

采用板壳有限元建模，将箱涵单元整体模拟为板单元，截面尺寸按按实际尺寸建模，箱涵基础与地基的接触模拟为一般弹性支承，分析结果如表3。

经对比，第一种分析方法产生的荷载效应组合弯矩值最大，第二种分析方法产生的荷载效应组合弯矩值最小，最大相差56%。第三种板壳有限元结构分析方法与第一种分析结果最大相差30%。

3 结语

将箱涵结构简化为矩形框架按结构力学分析的结果偏于安全。将箱涵简化为梁单元建二维模型时，建议将侧壁与顶、底板相交的角节点按普通节点考虑，如按刚节点考虑，则计算出的节点边缘弯矩值较小。三种计算方法中将箱涵模拟为三维板单元，基础考虑与土弹簧的相互作用更符合实际情况，特别是箱涵跨度较大时，实际设计中对箱涵结构进行细化分析时建议采用三维板单元模型。