某湖水下導(dǎo)流箱涵結(jié)構(gòu)受力分析研究

王云WANG Yun；徐海天XU Hai-tian

（①中國十九冶集團(tuán)有限公司，成都 610031；②四川省第六建筑有限公司，成都 610081）

0 引言

箱涵是重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施之一，是常見的涉水或地下建筑物，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、堤防、雨污水管道以及各類管線通道等，其安全價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值不言而喻。[1-2]鋼筋混凝土箱涵采用整體閉合式框架結(jié)構(gòu)，具有良好的穩(wěn)定性、剛度大、變形小、承載力高、抗震性能好、防滲性能好、地基適應(yīng)性強(qiáng)、工程投資小、結(jié)構(gòu)形式簡單以及參數(shù)化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)[3-5]，同時(shí)考慮生態(tài)環(huán)境、線性要求、城市規(guī)劃等因素[6]，在建設(shè)工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

楊振琨等[7]以某壩下排水箱涵為例，采用ARSA 軟件對箱涵進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析，結(jié)果表明在各種荷載作用下箱涵主要以受壓為主，最大內(nèi)力一般發(fā)生在箱涵的底部。侯緒亞等[8]基于Autobank 軟件分析連續(xù)介質(zhì)有限深度彈性地基上雙孔箱涵在有無邊荷載作用下受力變形研究，研究表明結(jié)構(gòu)受力符合規(guī)律且在實(shí)際工程中宜考慮邊荷載作用。陳樹汪等[9]研究了某水下單孔矩形箱涵在全淹沒、半淹沒、無水等三種工況下的結(jié)構(gòu)變形和承載力，其結(jié)構(gòu)變形以豎向?yàn)橹?；同時(shí)在水壓力的作用下，結(jié)構(gòu)會發(fā)生側(cè)移且位移不大，不影響工程運(yùn)營使用。Maekawa K 等[10]研究發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土箱涵的側(cè)板是為了抵抗由軸向推力和與水平荷載相關(guān)的豎向荷載和剪力的組合所產(chǎn)生的彎曲變形，而頂板和底板是為了抵抗由豎向荷載產(chǎn)生的具有大剪力的彎矩。

鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)相對簡單，與其他結(jié)構(gòu)的不同之處在于內(nèi)部空間是空的[11]，由頂板、底板和側(cè)板組成，但其與土體、水體之間的受力特性是比較復(fù)雜的[12]?？紤]水體-箱涵-土體之間相互作用，可以利用有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值分析[13]。本文以某湖水下導(dǎo)流箱涵為例，研究其在常規(guī)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形和沉降規(guī)律，對箱涵在水下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14]、變形規(guī)律研究等方面具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某湖與河渠相連，河渠水質(zhì)不穩(wěn)定，在枯水期惡劣水體滯留在湖區(qū)，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，湖區(qū)水環(huán)境極差，嚴(yán)重影響周圍生態(tài)環(huán)境形象。該湖面積約39730m2，庫容約2.98 萬m3，為了達(dá)到水環(huán)境綜合治理效果，河渠穿越湖區(qū)采用箱涵進(jìn)行導(dǎo)流，使河渠和湖區(qū)水體分離，湖區(qū)在上游河渠采用泵站抽水并進(jìn)行水質(zhì)處理后使用。

新建導(dǎo)流箱涵288.13m，上下游與原河渠銜接。箱涵布置三孔，邊孔凈空尺寸為4.25m×2.00m（寬×高），中孔尺寸為4.10m×2.00m（寬×高）。箱涵采用C30 鋼筋混凝土澆筑，底板及側(cè)墻厚度為40cm，頂板厚度為30cm，中部隔墻厚度為30cm。箱涵基礎(chǔ)置于預(yù)碾壓后的松散砂卵石層上，進(jìn)口底板高程為536.60m，出口底板高程為536.04m，進(jìn)出口通過5.00m 長的水平段和1:1.5 的斜坡與原渠道底部相接，并采用20cm 厚C25 鋼筋混凝土保護(hù)渠道底部和原渠道襯砌基礎(chǔ)。在箱涵起止點(diǎn)頂板上部垂直水流方向布置“一字”擋水墻以保證西湖正常蓄水位為539.00m，擋水墻頂高程為539.00m，擋水墻采用懸臂結(jié)構(gòu)且兩端伸入岸邊土體。箱涵置于預(yù)碾壓后的松散砂卵石層上，地基承載力不小于0.3MPa。

2 地質(zhì)條件

河渠堤經(jīng)過地層從上至下依次為素填土、湖積淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、第四系沖洪積層（Q4al+pl）粉土層，下部為松散～密實(shí)狀卵礫石夾砂層。借鑒臨近工程抽水試驗(yàn)成果，卵石層滲透系數(shù)取25m/d，屬強(qiáng)透水層。

3 有限元分析

3.1 模型建立

本文采用ANSYS 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，鋼筋采用LINK8 單元，混凝土采用SOLID65 實(shí)體單元，采用多線性等向強(qiáng)化本構(gòu)模型模擬混凝土。模型共計(jì)單元總數(shù)2150058 個(gè)，其中混凝土單元1866240 個(gè)，鋼筋單元283818 個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)2520398。

3.2 模擬方案

根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行條件，考慮了有水運(yùn)行期和無水運(yùn)行期2 種工況，詳見表1。有限元實(shí)體單元計(jì)算暫未考慮溫度及混凝土收縮，同時(shí)為體現(xiàn)箱涵結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、箱涵運(yùn)行等情況進(jìn)行綜合分析，湖內(nèi)的水均是按蓄滿水考慮，箱體外部均考慮外水壓力和浮托力，有水運(yùn)行期按箱涵內(nèi)滿水，無水運(yùn)行期按箱涵內(nèi)無水且無壓力。

表1 工況組合

3.3 分析結(jié)果

為深入分析箱涵在水下的基本情況，沿水流方向整體均分方式提取5 個(gè)斷面，即斷面1（M1，進(jìn)水口位置）、斷面2（M2，靠進(jìn)水口位置）、斷面3（M3，中間位置）、斷面4（M4，靠出水口位置）和斷面5（M5，出水口位置）。

3.3.1 變形分析

箱涵結(jié)構(gòu)的變形量大小作為決定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，兩組工況的豎向位移見圖1 所示。由圖可知，兩組工況位于水下，變形以豎向變形為主，豎向變形最大值為-0.1665mm，對應(yīng)的工況和位置分別為有水運(yùn)行期、斷面5（M5）。

圖1 豎向位移（mm）

3.3.2 應(yīng)力分析

針對變形結(jié)果分析可知，M5 在無水運(yùn)行期、有水運(yùn)行期的變形量最大，則應(yīng)力分析選擇有水運(yùn)行期的M5，如圖2、圖3 所示。

圖2 無水運(yùn)行期M5 應(yīng)力云圖

由圖2（1）等效應(yīng)力分析可知，最大拉應(yīng)力為0.927MPa，位于右孔頂板左下部加腋部位內(nèi)側(cè)，最小拉應(yīng)力為0.001MPa，位于右孔底板中上部；由圖2（2）第1 主應(yīng)力分析可知，最大拉應(yīng)力為0.779MPa，位于左孔頂板右上部；最大壓應(yīng)力為0.626MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內(nèi)側(cè)；由圖2（3）第3 主應(yīng)力分析可知，最大拉應(yīng)力為0.005MPa，位于中間隔墻頂板上部；最大壓應(yīng)力為1.036MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內(nèi)側(cè)。

由圖3（1）等效應(yīng)力分析可知，最大拉應(yīng)力為0.923MPa，位于右孔頂板左下部加腋部位內(nèi)側(cè)，最小拉應(yīng)力為0.007MPa，位于中孔頂板中上部；由圖3（2）第1 主應(yīng)力分析可知，最大拉應(yīng)力為0.802MPa，位于左孔頂板右上部；最大壓應(yīng)力為0.628MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內(nèi)側(cè)；由圖3（3）第3 主應(yīng)力分析可知，最大拉應(yīng)力為0.005MPa，位于中間隔墻頂板上部；最大壓應(yīng)力為1.033MPa，位于左孔頂板右下部加腋部位內(nèi)側(cè)。

4 結(jié)論

隨著城市和工業(yè)發(fā)展，城市河渠水環(huán)境較差，其治理是城市發(fā)展的必經(jīng)之路，并根據(jù)河渠特點(diǎn)、問題及成因、治理目標(biāo)等方面提出針對性綜合治理方案，如控源截污、內(nèi)源治理、生態(tài)修復(fù)和活水提質(zhì)等，切實(shí)提升河渠的水生態(tài)環(huán)境治理。本文以某湖擬建導(dǎo)流箱涵為例，根據(jù)箱涵結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)條件、實(shí)際運(yùn)行條件等，深入分析箱涵在水下的基本情況，考慮了有水運(yùn)行期和無水運(yùn)行期2 種工況，結(jié)合有限元軟件ANSYS 分析結(jié)果，研究了某湖水下箱涵的受力分析特點(diǎn)，主要包括以下幾點(diǎn)：①導(dǎo)流箱涵存在水流坡度，則出水口標(biāo)高比進(jìn)水口低，出水口變形量最大。②導(dǎo)流箱涵的兩組工況均位于水下，結(jié)構(gòu)變形以豎向變形為主，豎向變形最大值為-0.1665mm，對應(yīng)的工況和位置分別為有水運(yùn)行期、斷面5（M5）。③導(dǎo)流箱涵在無水運(yùn)行期，最大拉應(yīng)力為0.927MPa（等效應(yīng)力）且為位于斷面5（M5）右孔頂板左下部加腋部位內(nèi)側(cè)。