預(yù)制裝配式箱涵的實(shí)用計(jì)算方法研究

符碧惠，李玉紅

(1.海南高速公路股份有限公司，海南 ?？?570203;2.上海千年工程建設(shè)咨詢有限公司，上海市 201108)

0 引言

我國中西部地區(qū)地域遼闊，公路建設(shè)里程長，路線多布設(shè)于沖積平原上，地表植被稀疏，匯水區(qū)域大，防洪、泄洪的需要決定了該地區(qū)公路建設(shè)中小橋涵在全線分布較多，工程量所占比重較大。

在公路建設(shè)施工過程中，小橋涵成為影響整個(gè)工程造價(jià)、質(zhì)量和工期的關(guān)鍵因素之一。據(jù)有關(guān)公路資料不完全統(tǒng)計(jì)[1-2]，一般平原區(qū)每公里1～3道，山區(qū)3～5道，小橋涵的投資占公路建設(shè)總投資的20%左右，其投資規(guī)模遠(yuǎn)大于大、中橋。

在我國當(dāng)前公路建設(shè)中，小橋涵的結(jié)構(gòu)型式多以蓋板涵、石拱涵、圓管涵為主，因施工方法、工藝、材料單一，所造成施工效率低下，建設(shè)速度緩慢，質(zhì)量難以保證的現(xiàn)狀，長期困擾著廣大施工企業(yè)和建設(shè)部門。

預(yù)制裝配式箱涵由于能夠?qū)崿F(xiàn)工廠化生產(chǎn)和快速化裝配，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）預(yù)制裝配式箱涵的快速化裝配能夠縮短工期，不影響整個(gè)高速公路的修建，從而帶來直接和間接的經(jīng)濟(jì)效益。（2）工廠化生產(chǎn)能夠有效控制涵節(jié)的施工質(zhì)量，避免天氣條件等環(huán)境因素和不夠?qū)I(yè)的施工人員施工作業(yè)的主客觀影響。（3）由于不需要采用模板，裝配化施工變得簡單，除了施工工期可以縮短外，施工人員也可以減少，從而也帶來經(jīng)濟(jì)效益。（4）采用標(biāo)準(zhǔn)化的裝配式箱涵，可以簡化設(shè)計(jì)過程，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。（5）預(yù)制裝配式箱涵對(duì)地基承載力要求低，結(jié)構(gòu)受力合理，結(jié)構(gòu)剛度大，能夠適應(yīng)各種地質(zhì)條件。（6）只要采取的措施得當(dāng)，預(yù)制裝配式箱涵的病害少，可維護(hù)性好，這樣可以節(jié)省維護(hù)成本。

此外，預(yù)制裝配式箱涵由于裝配的特點(diǎn)，需要分成很多涵節(jié)，對(duì)涵節(jié)之間的連接不當(dāng)，會(huì)帶來涵節(jié)之間的錯(cuò)節(jié)，嚴(yán)重時(shí)路面出現(xiàn)高低錯(cuò)位，影響了路面的行車使用性能。

預(yù)制箱涵在國外已經(jīng)被大量采用，美國、英國、加拿大、澳大利亞、日本等國均有預(yù)制箱涵的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范[3]，并且有很多的專門生產(chǎn)預(yù)制箱涵的廠家，能夠提供很多尺寸和很多形式的預(yù)制箱涵。在國內(nèi)，除了青藏鐵路、湖南常德至張家界高速等個(gè)別工程外，預(yù)制箱涵尚未在國內(nèi)得到廣泛的推廣使用，缺乏相關(guān)研究，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定相對(duì)滯后。

本文針對(duì)預(yù)制裝配式箱涵，對(duì)其實(shí)用計(jì)算方法開展研究，對(duì)傳統(tǒng)的箱涵簡化計(jì)算方法進(jìn)行檢驗(yàn)及改進(jìn)，以確保設(shè)計(jì)分析方法合理。

1 實(shí)用計(jì)算方法研究思路

在傳統(tǒng)的計(jì)算方法中，對(duì)于箱涵均按平面框架方法[4]進(jìn)行簡化計(jì)算，主要原理是：把箱涵橫截面簡化為一個(gè)框架，并且認(rèn)為箱涵底部土壓力均勻分布，側(cè)面土壓力均勻變化。

為了驗(yàn)證和改善傳統(tǒng)的簡化計(jì)算方法，以及進(jìn)行縱向連接計(jì)算，本節(jié)研究將利用三維有限元實(shí)體分析方法，建立考慮箱涵周圍土體三維有限元模型，從箱涵周邊土壓力分布和箱涵自身內(nèi)力分布特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)平面框架的簡化計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn)。

2 平面框架簡化計(jì)算方法的校驗(yàn)與改進(jìn)

建立的實(shí)體有限元模型如下：箱涵凈跨2 m，凈高2 m，采用solid45單元模擬，在計(jì)算方法研究階段采用線性材料。箱涵的頂?shù)装寰鶠?8 cm，側(cè)墻為28 cm，混凝土保護(hù)層為5 cm。材料用C30混凝土。取1 m長的涵節(jié)進(jìn)行分析。土體采用solid45單元模擬，采用Drucker-Prager材料，彈性模量取30 MPa，泊松比取 0.25，密度為2 000 kg/m3，內(nèi)聚力取100 kPa，內(nèi)摩擦角取32°?；A(chǔ)厚度為10 cm，基礎(chǔ)的材料為C20混凝土，填土高度為2 m。頂部填土以均布荷載考慮，底部土體用彈性地基模擬，側(cè)土和箱涵之間采用接觸連接，能夠模擬滑移。模型擁有節(jié)點(diǎn)4 332個(gè)，單元4 936個(gè)。圖1為2 m×2 m箱涵的土涵相互作用有限元模型，圖2為與箱涵側(cè)壁接觸的土體水平應(yīng)力分布。

圖1 2×2 m箱涵的土涵相互作用有限元模型

圖2 與箱涵側(cè)壁接觸的土體水平應(yīng)力分布

2.1 涵壁土壓力分布特性驗(yàn)證

基于上述模型，僅考慮土體和箱涵自重，取2 m填土研究土壓力分布和箱涵內(nèi)力分布特性進(jìn)行研究，以驗(yàn)證目前平面框架計(jì)算方法中“箱涵底部土壓力均勻分布，側(cè)面土壓力均勻變化”的土涵作用模型假定。

由圖3、圖4表明，目前的土壓力荷載簡化方式是基本準(zhǔn)確，可以繼續(xù)使用。

圖3 2 m填土?xí)r側(cè)向土壓力分布圖

圖4 2 m填土?xí)r底板壓力分布圖

2.2 涵節(jié)的內(nèi)力分布研究

下面將進(jìn)一步分析在相同的荷載條件下，分析三維有限元模型與框架模型在內(nèi)力上的計(jì)算差別，為平面框架計(jì)算方法的校驗(yàn)與改進(jìn)提供依據(jù)。

把上面得到的土壓力施加給平面框架模型，對(duì)比分析它們?cè)趦?nèi)力計(jì)算上的差別。下面只給出頂板的分析結(jié)果對(duì)比圖（見圖5）。

圖5 基于平面框架分析法的彎矩圖

由圖6、圖7可見，由于箱涵實(shí)際的跨徑比中到中的計(jì)算跨徑小，因此，簡化方法算得的彎矩和剪力都比按實(shí)體有限元模型算得的稍大，簡化方法算得的彎矩和剪力用于設(shè)計(jì)是偏于安全的。

圖6 頂板彎矩圖對(duì)比

圖7 頂板剪力圖對(duì)比

從圖8可見，由于箱涵中到中的計(jì)算跨徑小于箱涵的外輪廓線，簡化的框架模型壓力分布的范圍比實(shí)際小，導(dǎo)致簡化方法算得的軸力比實(shí)體有限元模型得到的軸力小。

圖8 頂板軸力圖對(duì)比

本文采用如下方法對(duì)軸力計(jì)算模型進(jìn)行修正：軸力都加上沒有考慮到的輪廓之外的荷載值。對(duì)于前面的結(jié)果進(jìn)行軸力修正（見圖9），修正后的跨中軸力誤差都在4%以內(nèi)。

圖9 頂板軸力修正后對(duì)比

2.3 修正后的預(yù)制箱涵實(shí)用計(jì)算方法

上述研究表明，已有的平面框架簡化法在分析預(yù)制裝配式箱涵時(shí)，對(duì)彎矩與剪力的分析是合理的，但不適用于軸力的分析。本文提出軸力計(jì)算需要加上沒有考慮到的輪廓之外的荷載值。分析表明修正后的軸力計(jì)算模型誤差可控制在4%以內(nèi)。

此外，為了有利于提高箱涵的通用性，靜止土壓力系數(shù)取0.25或者0.5，按照最不利內(nèi)力組合進(jìn)行選擇。

3 結(jié)語

預(yù)制裝配式箱涵由于能夠?qū)崿F(xiàn)工廠化生產(chǎn)和快速化裝配，在國外已廣泛使用，而目前國內(nèi)僅在個(gè)別工程中應(yīng)用，其研究開展與規(guī)程制定都相對(duì)滯后。

本文對(duì)預(yù)制裝配式箱涵的實(shí)用計(jì)算方法開展研究。通過土涵相互作用三維有限元模型分析，對(duì)傳統(tǒng)平面框架模型在該類箱涵的應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，改進(jìn)了模型假設(shè)，建立了實(shí)用計(jì)算方法。研究表明本文實(shí)用方法準(zhǔn)確快速，適合于工程設(shè)計(jì)使用。

[1]劉偉.公路小橋涵的設(shè)置與形式選擇[J].科技信息，2010(31)：346-346.

[2]劉會(huì)清.高速公路小橋涵測(cè)設(shè)探討[J].運(yùn)輸經(jīng)理世界，2003(9)：48-50.

[3]阮鐵鋒.新規(guī)范條件下箱涵設(shè)計(jì)的一點(diǎn)看法[J].建材與裝飾市場營銷，2010(7)：268-269.

[4]張新忱,魯禮信,趙軍鈴，等.半無限彈性地基上的箱涵內(nèi)力計(jì)算[J].河北工業(yè)大學(xué)成人教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(2)：45-49.