石长铁路（DK73+436.63）1-5.0m框架涵检测及结构分析计算

许成

摘要：在日常巡查中发现石长铁路某一框架涵存在有较多裂缝，在裂缝普查的基础上，采用有限元分析法，通过MIDAS软件对该框架涵进行了结构验算并分析了裂缝成因。结果表明：涵洞的承载力能力满足活荷载安全承载要求，但框架涵顶板最大裂缝宽度0.50mm，需对顶板进行加固处治。

关键词：有限元；框架涵；裂缝；承载力

近几年对于箱涵的检测与加固方面的工作做得比较多，很多专家都探讨过涵身裂缝产生的原因：主要有荷载引起的、基础沉陷、原材料不符合要求、温度变化和钢筋锈蚀等。

1.工程概况

石长铁路始建于1998年，于2016年完成了电气化改造，并对沿线的桥涵等都进行了加固。DK73+436.63 1-5.0m框架涵位于长沙市境内，该涵洞断面尺寸为：净宽5m（正交），边墙厚0.5m（正交）、净高4.2m，顶板高0.55m，底板高0.65m，涵洞全长17.8m（含两侧人行道悬臂板）。

2.涵洞裂缝调研数据分析

裂缝普查。由检测结果可知：最大裂缝宽度0.50mm，侧墙最大裂缝宽度0.22mm，超过规范规定的裂缝最大宽度限值（0.20mm）。因此，需要经过结构验算来判定是否已经对结构的稳定性产生影响。

3.结构验算分析

3.1检算模型

本次模拟计算中取垂直于裂缝发展方向的单位长度板宽（1m）为检算对象，分别采用有限元分析软件MIDAS Civil、FEA进行建模分析，其中MIDAS Civil采用板单元模型、MIDAS FEA采用实体模型。Midas/civil软件所采用的板单元，此单元是由同一平面上的3到4个节点构成的平板单元（Plate Element）。由于板单元考虑了局部的横向剪切应力的影响，因此对于薄板单元或厚板单元都能计算出比较准确的结果。此模型以铁路线路走向为X轴，涵洞走向为Z轴，竖直方向为Y轴建立坐标模型。论文中Midas/Fea全涵实体模型采用三维实体单元，并将初拉力赋予Midas/Fea模型单元。

3.2参数确定及假设

3.2.1恒载主要有：结构构件的自重（箱涵本身自重和道渣及铁轨自重）、混凝土收缩的影响，参考相关规范假定：混凝土收缩降温15℃计算，根据该涵洞基本情况调查和施工规范，对该部分工作结合台后回填同时进行，采用C20素混凝土对台后进行回填。因此本次检算不考虑土压力作用。

3.2.2活载有列车竖向静活载和列车竖向动力作用（轨底以下深度为0.861m，小于1m）。

3.2.3温度变化的作用主要考虑两方面：整体升温和整体降温。

3.3裂缝发展情况预测

从混凝土应力云图1中发现：极限抗拉强度在中间部位和箱涵顶部，当加大活载后，黄色区域较其他部分区域最先开始产生裂缝，由于应力集中作用活载箱涵顶部较中间部位首先产生裂缝，其次是中间黄色区域产生裂缝，最终沿两侧绿色区域缓慢发展。

4.裂缝成因分析

（1）顶板裂缝编号1#、3#、4#、5#，最大裂缝宽度为0.50mm，超过规范规定的0.20mm的限值；其发展方向与有限元计算预测裂缝发展方向一致，为正弯矩裂缝。（2）顶板裂缝编号2#、6#，最大裂缝宽度为0.14mm，该裂缝判断为温度及混凝土收缩引起的裂缝；本涵洞布置的加强筋均平行于自由边及支承边，应为该处裂缝产生的原因之一。（3）侧墙竖向裂缝未延伸至顶板，路面无开裂，且涵洞无不均匀沉降迹象，可判定该裂缝为收缩裂缝。

5.结束语

通过对该处涵洞进行了裂缝普查和结构验算，可得到如下结论：（1）结构验算结果显示：该框架涵的检算对象部位应力、裂缝宽度均符合相关规范的规定，目前该涵洞的承載力能力满足中活荷载安全承载要求；应加强垂直支撑边方向顶板的配筋，限制裂缝继续发展。（2）框架涵顶板最大裂缝宽度0.50mm，侧墙最大裂缝宽度0.22mm，超过规范规定的裂缝最大宽度限值，主要原因是受力主筋布置方向与主弯矩方向不一致。（3）建议尽快对该涵洞顶板进行加固处理并加强观测。

【参考文献】

[1]林元铮，田石柱，柴明明，王大鹏.钢筋混凝土箱涵裂缝检测及加固性能研究[J].工程抗震与加固改造，2014，36（06）：116-123+129.

[2]陈洪凯，王蓉，唐红梅，王凯，袁建议.沟埋式砼箱涵裂缝成因研究[J].重庆交通学院学报，2002（02）：87-89+93.