装配式预制箱涵受力及稳定性分析

■刘丽丽 李刘峰

(新疆兴亚工程建设有限公司，昌吉 831100)

0 引言

随着城市道路日益复杂，越来越多的城市地下通道建设起来，尤其对于装配式预制箱涵，由于其具有安装速度快、经济效益高、施工方便、质量有保证等优点，在很多地方得以采用。然而，由于装配式的自身需要连接拼凑的特点，对其力学特征分析尤为重要。近年来，有关装配式预制箱涵分析如下：符碧惠、郭少昱等人[1，2]通过建立土涵相互作用三维有限元并对模型进行分析，对传统平面框架模型在该类箱涵的应用效果进行检验，并改进了传统模型。柯代琳、黎晓林等人[3，4]以昌九高速公路改扩建工程为例，进行施工技术研究，结果表明在不中断车辆通行的情况下，使用装配式预制箱涵使得工期缩短，结构质量更好，对环境和安全影响小等特点。马建勇、张鲲等人[5，6]采用有限元分析计算方法，并与施工全程监测相比较，探索出一种较为新颖的装配式涵洞，并将之与传统形式涵洞的材料用量、经济性等进行比较。本文主要以某地会展中心一装配式预制箱涵地下通道为例，通过数值分析和理论计算手段，对装配式预制箱涵的受弯、受剪进行了分析，并对其变形和受力进行描述，最后对其正常使用极限状态进行了验算。

1 工程概况

某地会展中心为装配式预制箱涵地下通道，该通道高为3.0m，跨度长为5.0m，所用混凝土等级为C40，设计荷载是城-A级。

为了充分了解桥梁的承载力和安全性，对该会展中心地下通道进行实地外观检查和材料性能指标测试，并据此进行了安全性能检算。会展中心地下通道采用预制钢筋混凝土箱涵拼接而成，一节预制箱涵长度为2m，高度为3.7m，箱涵两侧板厚0.35m，上下板厚0.4m。具体的横截面和纵向钢筋布置见下图1。

图1 示意图

2 数值建模

2.1 荷载情况

(1)通道顶部填土荷载

根据 《城市桥梁设计荷载标准》CJJ77-98中关于路基填方竖向压力的计算规定，竖向压力按下式计算：

其中H是填土高度，数值是3m；γ1是填土容重，取22kN/m3。

由于通道顶板的宽度是2m，所以填土相当于在上面作用了以下均布荷载：

(2)汽车荷载

根据 《城市桥梁设计规范》CJJ11-2011中的规定，汽车荷载分为城-A级和城-B级两个等级。而汽车荷载一般又可以分为车辆和车道两种荷载。车道荷载对应的是计算桥梁整体结构，车辆荷载对应的是桥梁局部结构，包括桥台等。对于该通道结构，采用车辆荷载来进行验算。由设计资料可知，该通道设计荷载等级为城-A级。城-A级车辆荷载的立面、平面、横向布置见下图2所示。由于篇幅限制，土侧压力作用、承载能力极限状态、正常使用极限状态(短期)、正常使用极限状态(长期)荷载状况未列出。

表1 车辆荷载主要技术指标

图2 城-A级车辆荷载立面图

2.2 模型建立

根据前面的受力图示，利用大型有限元软件Midas/Civil建立通道箱体的梁单元与实体模型，如图3所示，两者互相校验，以此进行结构分析，得到了各个工况下的结构内力。其中除了各种受力单独作用的工况外，还包括三种作用效应的组合，分别如下：

(1)承载能力极限状态

组合设计值1=1.2×自重+1.2×二期+1.2×土侧压力+1.4×车辆荷载

(2)正常使用极限状态(短期)

组合设计值 2=1×自重+1×二期+1×土侧压力+0.7×车辆荷载

(3)正常使用极限状态(长期)

组合设计值 3=1×自重+1×二期+1×土侧压力+0.4×车辆荷载

下面分别列出了箱涵结构的计算模型以及在各种受力状态下的应力图和内力图。

3 数值结果分析

3.1 模型受弯和受剪分析

图3 梁单元模型

图4 弯矩图

如图4和5所示，分别为模型的弯矩图和剪力图，本节从从自重作用、箱顶竖向土压力作用、汽车荷载作用、土侧压力作用、承载能力极限状态、正常使用极限状态(短期)、正常使用极限状态(长期)方面对以上梁单元模型的结果可以看出，该地下通道顶板跨中和箱体角点的弯矩较大，同时箱体角点的剪力也较大。

图5 剪力图

3.2 模型变形和受力分析

为了较详细地分析该地下通道箱体的结构受力，采用实体单元来进行有限元模拟分析，如图6～9所示为该地下通道箱体有限元计算模型示意图及其结果，最终箱体受力详细情况列于表2。箱涵上部中心的变形最大，上部箱壁上边界受压，下边界受拉。

图6 地下通道箱体有限元计算模型

图7 地下通道箱体变形图(m)

图8 地下通道箱体正应力图(kN·m)

图9 地下通道箱体验算截面位置示意图

表2 验算截面内力表

根据表2，可进行会展中心地下通道的承载能力验算，下节主要针对正常使用极限状态进行验算。

3.3 正常使用极限状态验算

(1)通道的抗裂验算

根据 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004的规定，矩形截面的钢筋混凝土构件，其最大裂缝宽度可按下式计算。

式中：

c1——钢筋表面形状系数，对于光圆钢筋，c1=1.0，对于带肋钢筋 ，该通道取1.0；

c2——作用(或荷载)长期效应影响系数，取1.37；

c3——与构件受力性质有关的系数，取1.15；

d——纵向受拉钢筋的直径(mm)，跨中截面验算时取25mm，角点截面验算时取20mm；

bf,hf——受拉翼缘的宽度与厚度，均为零；

h0——有效高度；

σss——由作用(或荷载)短期效应组合引起的开裂截面纵向受拉钢筋在使用荷载作用下的应力(MPa)，对于钢筋混凝土受弯构件

跨中截面验算时，σss=146MPa，角点截面验算时，σss=107.03MPa;

Es——钢筋弹性模量(MPa)，此处Es=2.0×105MPa。

另外，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004的规定，在正常使用极限状态下钢筋混凝土构件的裂缝宽度，应该按照作用(或荷载)短期效应组合并考虑长期效应组合影响进行计算，且不得超过规范规定的裂缝限值。对于处于I和Ⅱ条件下，裂缝宽度规定要小于等于0.20mm，而对于Ⅲ、Ⅳ类下的受弯构件，要求裂缝所允许的宽度小于等于0.15mm，极限状态下该值为0.20mm。

(2)跨中截面抗裂验算

通道顶板跨中截面抗裂验算通过。

(3)角点截面抗裂验算

通道顶板角点截面抗裂验算通过。

(4)通道的挠度验算

受弯构件在使用阶段的挠度应考虑作用 (或荷载)长期效应的影响，即按作用(或荷载)短期效应组合和给定的刚度计算的挠度值，再乘以挠度长期增长系数ηθ。梁式结构最大挠度为l/600，悬臂结构悬臂端为l1/300。此处，l为受弯构件的计算跨径，l1为悬臂长度。

由有限元软件计算可得结构在消除结构自重产生的挠度后的挠度值为1.840mm，则该通道顶板在消除了结构自重产生的长期挠度后的长期挠度值为2.944mm＜1/600=9.67mm。该结构挠度验算通过。

4 结论

本文主要以某地会展中心一装配式预制箱涵地下通道为例，通过数值分析和理论计算手段，对装配式预制箱涵的受弯、受剪、变形和受力进行了分析，最后对其正常使用极限状态进行了验算，得到以下结论：

(1)模型的弯矩图和剪力图显示，该地下通道顶板跨中和箱体角点的弯矩较大，同时箱体角点的剪力也较大。

(2)箱涵上部中心的变形最大，上部箱壁上边界受压，下边界受拉。跨中和角点弯矩以及角点剪力均满足要求。

(3)通过对通道的抗裂验算和挠度验算，在最不利荷载作用下裂缝宽度没有超出规范的限值，荷载作用下的跨中挠度小于规范容许值，满足要求。