基于Midas civil的大跨度单箱地道结构设计分析

凌保林

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125）

1 工程概况

该地下通道位于太仓市区某市政道路下方，采用单孔箱体结构，为道路两侧地下车库的联络通道，实施通道总长度约150m，位于市政道路下方约97m，全段明挖暗埋施工。结构内净空尺寸为12m×3.4m，顶板厚1.2m，侧墙厚1.3m，底板厚1.2m，顶板腋角尺寸为0.3m×0.9m，底板腋角尺寸为0.5m×0.5m，顶板覆土厚度3.5m。

2 Midas civil有限元模型建立

2.1 三维模型假定及模型建立

（1）计算假定：标准段箱顶覆土厚度变化不大，接近于平面应变问题，按平面应变假定。采用三维任意四边形板单元模拟顶板、底板、侧壁，通过局部增加板厚度模拟腋角刚度。板单元模型考虑板横向剪切作用[1]。

（2）边界条件假定：该工程为大跨度单箱结构，底板可按温克尔假定设竖向弹簧（弹簧为只受压弹簧，当计算得到弹簧受拉时，去除该弹簧约束），土体弹簧刚度取15000kN/m3（参考地勘条件选用）。在结构底板增加双向水平弱弹簧约束（土体弹簧刚度取1000kN/m3）。

（3）单元划分：考虑分析精度，一般板单元网格划分尺寸为0.2m×0.3m。腋角处按0.1m×0.3m划分。

（4）主体结构采用C35混凝土。材料弹性模量为3.15×104MPa，泊松比为0.2，密度为2500kg/m3

（5）多结构尺寸参数模型。分两种情况：①不设置腋角，调整侧墙厚度；②设置腋角，调整侧墙厚度。具体结构设计参数如表1所示。

表1 不同板厚设计参数

通过Midas civil软件对两种情况分别建立有限元模型，如图1所示。

图1 有限元模型建立

2.2 荷载类型及组合

（2）结构承受活载：人、车活载、地下水荷载等。

（3）地下通道附近土体淤泥质粉质黏土，其内摩擦角φ=20°，土容重γ=18kN/m3。侧向土压力力系数采用主动土压力0.49。

（4）荷载组合。取以下两种工况荷载组合，按其包络所得最不利工况进行配筋计算：①自重+顶板覆土+顶板超载+侧墙恒载土压力；②自重+顶板覆土+顶板超载+侧墙恒载土压力+侧墙活载土压力+侧墙水压力+底板浮力。

3 结构受力特性分析

地下通道内力分析节点布置图如图2所示，以图中节点内力为研究对象，文章仅对最不利荷载组合下的标准值进行分析。

图2 地下通道内力分析节点布置图

（1）不设置腋角时：Ma为顶板跨边弯矩；Mb为顶板跨中弯矩；MA为底板跨边弯矩；MB为底板跨中弯矩；Mc为侧墙跨边弯矩；Md为侧墙跨中弯矩。

（2）设置腋角时：Ma1为顶板跨边弯矩；Mb1为顶板跨中弯矩；MA1为底板跨边弯矩；MB1为底板跨中弯矩；Mc1为侧墙跨边弯矩；Md1为侧墙跨中弯矩。

3.1 不设置腋角调整侧墙厚度参数对结构内力影响

结合相关统计数据，当顶板厚度为1.2m，底板厚度为1.2m，侧墙厚度从1.1m按0.1m增长至1.5m时，顶、底板、侧墙弯矩变化规律如下：

（1）顶板跨中弯矩Mb呈下降趋势，但下降幅度逐步降低。跨中弯矩下降幅度由6.1%下降到3.8%；顶板跨边弯矩Ma呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨边弯矩上升幅度由9.4%下降到1.7%。

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（2）底板板跨中弯矩MB呈下降趋势，但下降幅度逐步降低。跨中弯矩下降幅度由4.7%下降到2.7%；底板跨边弯矩MA呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨边弯矩上升幅度由5.5%下降到4.2%。

（3）侧墙板跨中弯矩Md呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨中弯矩上升幅度由9.1%下降到4.8%；侧墙跨边弯矩Mc呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨边弯矩上升幅度由10.7%下降到4.4%。

3.2 设置腋角下调整侧墙厚度参数对结构内力影响

顶板厚度为1.2m，底板厚度为1.2m，顶板腋角为0.3m高×0.9m宽，底板腋角为0.5m高×0.5m宽。侧墙厚度仍从1.1m按0.1m增长至1.5m时，顶、底板、侧墙弯矩变化规律如图3所示。

图3 设置腋角侧墙厚度递增下的结构弯矩变化（图中弯矩采用绝对值）

（1）顶板跨中弯矩Mb1呈下降趋势，但下降幅度逐步降低。跨中弯矩下降幅度由6.4%下降到4.2%；顶板跨边弯矩Ma1呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨边弯矩上升幅度由5.3%下降到1.1%。

（2）底板板跨中弯矩MB1呈下降趋势，但下降幅度逐步降低。跨中弯矩下降幅度由4.9%下降到2.6%；底板跨边弯矩MA1呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨边弯矩上升幅度由6.0%下降到1.8%。

（3）侧墙板跨中弯矩Md1呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨中弯矩上升幅度由8.4%下降到4.1%；侧墙跨边弯矩Mc1呈上升趋势，但上升幅度逐步降低。跨边弯矩上升幅度由7.9%下降到4.2%。

3.3 同一板厚参数下设置腋角对结构内力影响

通过对比同一侧墙厚度下的内力情况，顶、底板设置腋角时，顶、底板跨中弯矩相对降低，顶、底板跨边弯矩相对增加。

3.4 设计参数优化确定

基于上述分析可知，在结构跨度、荷载等不变的情况下：

（1）顶底板与侧墙相交处增加腋角设置，有利于提高侧墙对底板与顶板的约束刚度，从而使得顶板、底板跨中弯矩降低，但顶、底板跨边弯矩增大，侧墙弯矩也增大。

（2）增加侧墙厚度可降低顶、底板跨中弯矩，但顶、底板跨边弯矩增加，侧墙弯矩也增大[2]。

（3）随着侧墙厚度增加，对顶、底板跨中弯矩降低的作用不断弱化，当侧墙增加到1.2m和1.3m厚时，顶、底板跨中弯矩与跨边弯矩数据较接近，此时结构各部分承担的内力较为均衡。因此该工程单箱结构侧墙厚取1.3m、顶底板厚取1.2m，设置顶板腋角为0.3m×0.9m，底板腋角为0.5m×0.5m时相对合理，结构主体造价相对经济。

4 结束语

综上所述，文章依托江苏某市政道路下地库连接通道工程，通过建立三维空间Midas civil有限元模型进行数值分析得出：大跨度单箱地道结构在结构跨度、荷载等不变的情况下，增加侧墙厚度、设置腋角均可以有效降低顶、底板跨中弯矩，但侧墙厚度增加与设置腋角并不能无限降低顶、底板跨中弯矩，且随着侧墙厚度增大，也会造成顶、底板边跨弯矩增加；当侧墙厚度达到某一限值时，整个单箱结构刚度分配会相对均衡，此时顶板、底板、侧墙各自跨中与跨边的弯矩大小相对接近，从而使得结构材料性能充分发挥。因此，建议在大跨度单箱结构设计时，合理调整侧墙设计厚度，辅以设置腋角（增加边跨处截面尺寸），以达到箱体结构内力合理分布的平衡点，不仅可降低工程造价，也能提高结构设计的可靠性。