三維數(shù)值仿真技術(shù)在箱涵混凝土澆筑中的應(yīng)用

李進(jìn)亮

（河北省水利工程局，石家莊 050021）

水利工程箱涵這種洞身以鋼筋混凝土箱型管節(jié)修建的涵洞，是一種常見的重要輸水工程建筑物型式。因其具有地基壓應(yīng)力均勻、整體性好、耐久性強(qiáng)、變形小、不影響河道泄洪和道路通行等特點(diǎn)，在輸水工程中廣泛應(yīng)用。

南水北調(diào)中線天津干線全長155.352km，共分為6個設(shè)計單元。保定市1段，是天津干線中的第2設(shè)計單元。工程起點(diǎn)樁號XW15+200，終點(diǎn)樁號XW60+842，長45.680km。全線采用有壓鋼筋混凝土箱涵輸水方案。設(shè)計輸水流量50m3/s，加大輸水流量60m3/s。采用C30W6F150現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，斷面為3（孔）×4.4m×4.4m。箱涵埋深3m，梯形開挖斷面。如圖1。

1 技術(shù)研究路線

1.1 研究內(nèi)容

為了箱涵優(yōu)化施工，針對保定1段箱涵進(jìn)行兩階段（2層澆筑法）及三階段（3層澆筑法）施工鋼筋混凝土箱涵變形情況三維數(shù)值仿真計算，分析不同澆筑方法時混凝土箱涵應(yīng)力應(yīng)變和箱涵拆模后應(yīng)力應(yīng)變。

1.2 三維分析模型建立情況

基于箱涵澆筑過程中鋼筋混凝土由于自重內(nèi)力產(chǎn)生的位移及變形情況，采用美國Itasca公司開發(fā)的三維快速拉格朗日分析計算程序FLAC3D，建立其三維數(shù)值分析模型，如圖2所示。同時，為便于后續(xù)分析，在模型中設(shè)置了25個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測應(yīng)力及位移情況，如圖3所示。

圖2 三維數(shù)值計算模型（不同顏色代表實際分階段情況）

2 3層澆筑法

結(jié)合混凝土澆筑實際情況，對齡期7d時箱涵澆筑、模板拆除中應(yīng)力及變形情況進(jìn)行分析。

2.1 澆筑底板

2.1.1 澆筑

底板澆筑后主應(yīng)力分布情況如圖4、圖5所示。

圖4 最大主應(yīng)力分布云圖

圖5 最小主應(yīng)力分布云圖

由圖4、圖5可知，底板澆筑后所產(chǎn)生應(yīng)力主要是由于自重應(yīng)力作用所導(dǎo)致，底板澆筑后所產(chǎn)生最大主應(yīng)力隨厚度的增加而增加，最大主應(yīng)力極值一般出現(xiàn)于寬度方向兩端位置，達(dá)26kPa。

2.1.2 拆模

齡期7d拆除底板澆筑模板后底板主應(yīng)力分布情況如圖6、圖7所示。

圖6 最大主應(yīng)力分布云圖

圖7 最小主應(yīng)力分布云圖

由圖6、圖7可知，齡期7d后拆除底板澆筑模板時，相比較模板未拆除前主應(yīng)力分布特征變化較小，基本與未拆除前保持一致，其中最大主應(yīng)力位于寬度方向兩端位置，仍為26 kPa。齡期7d拆除底板模板后底板變形情況如圖8～圖10所示。

圖8 豎直方向位移分布云圖

圖9 水平方向位移分布云圖

圖10 總位移分布云圖

由圖8～圖10可知，齡期7d模板拆除后，底板變形主要為豎直方向，同時水平方向亦有較小變形，但兩個方向變形量值均較小，為10-2mm量級，最大位移達(dá)1.0×10-2mm。

2.2 澆筑立墻

2.2.1 澆筑

立墻澆筑后底板主應(yīng)力分布情況如圖11、圖12所示。

圖11 最大主應(yīng)力分布云圖

圖12 最小主應(yīng)力分布云圖

由圖11、圖12可知，底板由于立墻的澆筑，承受立墻自重作用而發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象，八角部位最大主應(yīng)力達(dá)90kPa。

2.2.2 拆模

齡期7d拆除立墻模板后主應(yīng)力分布情況如圖13、圖14所示。

圖13 最大主應(yīng)力分布云圖

圖14 最小主應(yīng)力分布云圖

由圖13、圖14可知，齡期7d拆除立墻模板時，立墻及底板應(yīng)力分布情況與齡期4d時相近，無明顯變化。立墻模板拆除后變形情況如圖15～圖17所示。

圖15 豎直方向位移分布云圖

由圖15～圖17可知，齡期7d后拆除立墻模板，豎向及水平向變形情況與其他齡期較為一致，但由于齡期增加，豎向位移量及總體位移量值較小，最大量值5×10-2mm。

2.3 澆筑頂板

2.3.1 澆筑

澆筑頂板后立墻及底板主應(yīng)力分布情況如圖18、圖19所示。

由圖18、圖19可知，頂板澆筑后底板應(yīng)力由于立墻自重的承壓作用而發(fā)生變化，八角位置應(yīng)力可達(dá)到110kPa，而邊墻外表壁部分區(qū)域可達(dá)130kPa。

2.3.2 拆模

齡期7d拆除頂板模板后箱涵主應(yīng)力分布情況如圖20、圖21所示。

圖20 最大主應(yīng)力分布云圖

由圖20、圖21可知，頂板模板拆除后，由于模板的支撐作用消失，箱涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生重新分布。立墻應(yīng)力量值變大，主要應(yīng)力集中部位為倒八角部位，量值達(dá)360kPa。同時，頂板不同部位應(yīng)力性質(zhì)不同，頂板上部為壓應(yīng)力、下層中間部分則為張拉應(yīng)力，量值為-150kPa。

拆除頂板模板后箱涵變形情況如圖22～圖24所示。

圖22 豎直方向位移分布云圖

圖23 水平方向位移分布云圖

圖24 總位移分布云圖

由圖22～圖24可知，拆除頂板模板后，箱涵結(jié)構(gòu)主要變形位置為頂板，其中左右涵洞部位豎直位移達(dá)到80×10-2mm，同時由于頂板變形，水平寬度方向變形量達(dá)到20×10-2mm，其中總位移量為80×10-2mm，為兩側(cè)涵洞頂板位置。

3 2層澆筑法

實際箱涵澆筑中均為先澆筑底板，并采用強(qiáng)度是否達(dá)到齡期28d強(qiáng)度的75%，作為判斷是否拆除模板的標(biāo)準(zhǔn)，故無論對于兩階段澆筑法或三階段澆筑法，均為先澆筑底板后，再分階段澆筑立墻和頂板或一次性澆筑。對于底板應(yīng)力及變形情況，兩種澆筑方法相同，此處不重復(fù)分析兩階段澆筑法時底板的應(yīng)力變形情況。

2層澆筑立墻及頂板澆筑和拆除應(yīng)力情況如下。

3.1 澆筑

澆筑立墻及頂板后底板主應(yīng)力分布情況如圖25、圖26所示。

圖25 最大主應(yīng)力分布云圖

圖26 最小主應(yīng)力分布云圖

由圖25、圖26可知，澆筑立墻及頂板后，底板由于立墻及頂板的壓力作用而發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象。八角位置具有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，量值達(dá)110kPa。

3.2 拆模

齡期7d拆除立墻及頂板模板后箱涵主應(yīng)力分布情況如圖27、圖28所示。

圖27 最大主應(yīng)力分布云圖

圖28 最小主應(yīng)力分布云圖

齡期7d拆除立墻及頂板模板后箱涵變形情況如圖29～圖31所示。

圖29 豎直方向位移分布云圖

圖30 水平方向位移分布云圖

圖31 總位移分布云圖

由圖29～圖31可知，齡期7d拆除頂板與立墻模板后，主要為豎直方向的變形，量值達(dá)1mm。但隨著齡期的增加，該量值對應(yīng)范圍進(jìn)一步減小，即變形量相應(yīng)減小。

4 兩種方法對比分析

通過對不同工法及7d齡期情況下澆筑及模板拆除箱涵應(yīng)力及變形情況數(shù)值模擬分析，結(jié)合不同監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力及位移情況，對2層與3層澆筑法的應(yīng)力及變形進(jìn)行對比分析。

4.1 應(yīng)力對比

兩種澆筑方法不同齡期時拆除模板后各監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的最大主應(yīng)力量值如圖32、圖33所示。

由圖32、圖33各監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力在兩種不同澆筑方法下不同齡期時的量值大小可知，兩種方法的監(jiān)測點(diǎn)最大主應(yīng)力量值基本相近，即2層或3層澆筑方法對箱涵體最大主應(yīng)力分布的影響較小。

圖33 齡期7d時最大主應(yīng)力

兩種澆筑方法不同齡期時拆除模板后各監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的最小主應(yīng)力量值如圖34、圖35所示。

圖34 齡期4d時最小主應(yīng)力

圖35 齡期7d時最小主應(yīng)力

由圖34～圖35各監(jiān)測點(diǎn)最小主應(yīng)力在兩種不同澆筑方法下不同齡期時的量值大小可知，兩種方法的監(jiān)測點(diǎn)最小主應(yīng)力量值亦基本相近，即2層或3層澆筑方法對箱涵體最小主應(yīng)力分布的影響較小。

4.2 位移對比

2層、3層澆筑法對應(yīng)不同齡期時拆除模板各監(jiān)測點(diǎn)的位移情況如圖36、圖37所示。

圖37 齡期7d時監(jiān)測點(diǎn)位移

由圖36～圖37可知，相同齡期不同澆筑方法對于箱體的變形量具有一定影響，一般規(guī)律為3層澆筑法對應(yīng)各監(jiān)測點(diǎn)位移基本低于2層澆筑法所對應(yīng)位移值，即自箱涵體穩(wěn)定性角度考慮，3層澆筑法更有利于箱涵的穩(wěn)定。

5 結(jié)語

對于南水北調(diào)中線天津干線保定段而言，通過不同施工工藝及變形分析可知，無論采用2層澆筑法或3層澆筑法，對最終模板拆除后應(yīng)力分布影響較小。2層澆筑法及3層澆筑法倒八角位置一般為應(yīng)力集中區(qū)，頂板上層承受壓應(yīng)力，下層一定區(qū)域則為張拉應(yīng)力。相同齡期不同澆筑方法對于箱涵體的變形量具有一定的影響，一般規(guī)律為3層澆筑法對應(yīng)各監(jiān)測點(diǎn)位移基本低于2層澆筑法所對應(yīng)位移值。從箱涵體穩(wěn)定性角度考慮，3層澆筑法更有利于控制箱涵的位移。

［1］劉治峰.水工混凝土輸水箱涵一體化施工技術(shù)工法［J］.水利建設(shè)與管理，2011，31（10）：19-22.

［2］王東來.三維有限元在南水北調(diào)輸水箱涵工程超荷載工況下的應(yīng)用［J］.水利建設(shè)與管理，2012（7）：1-6.

［3］趙洪波.進(jìn)海路箱涵結(jié)構(gòu)行車動態(tài)響應(yīng)仿真分析［J］.中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，33（16）：64，82.

［4］孫羽.對“南水北調(diào)中線一期工程天津干線西黑山進(jìn)口閘至有壓箱涵段”箱涵模板工程的研究與分析［J］.吉林水利，2010（5）:13-16.

［5］王凱.基于有限元數(shù)值分析探討溝埋式箱涵裂縫的形成機(jī)理［J］.地下空間，2001，21（5）:519-525.

［6］李樹恩.南水北調(diào)中線天津段混凝土施工質(zhì)量控制［J］.中國科技博覽，2011（31）:169-170.