基于板单元的箱涵底板外伸对结构内力影响分析

屈锦康

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507)

0 引 言

钢筋混凝土箱涵刚度大，耐久性好，易于养护，于软土地基有较高适用性。箱涵按功能可分为过车、过人、过水箱涵；按使用场景可分为公路、市政箱涵。当箱涵净跨、净高较大时，涵身挖空率较高，地下水位较高的涵洞易存在抗浮问题，此时可通过底板外伸增加结构抗浮安全系数；当箱涵跨径较小、覆土厚度小于0.5 m时，计算箱涵最大基底应力，荷载偏心距往往会超过底面核心半径，基底最大压应力较大，此时也可通过底板外伸降低基底应力水平。在进行箱涵结构设计时，箱涵底板外伸应用广泛，但考虑底板外伸影响使得结构计算、设计变得复杂，故设计人员往往忽略底板外伸部分影响进行结构计算、配筋，此做法的可行性尚缺少相关研究支撑，故分析箱涵底板外伸对箱涵内力的影响是有意义的。

1 研究思路

为研究箱涵底板外伸对箱涵内力影响，取净跨径1.5 m、3 m和6 m，覆土厚度0.5 m、6 m，底板外伸与不外伸，排列组合后共计12种箱涵，按照实际荷载情况进行加载、计算。提取顶板支点、顶板跨中、底板支点、底板跨中、侧墙跨中共计5个截面的内力，比较底板外伸与不外伸时箱涵上述5个截面内力变化。

2 计算模拟

2.1 材料力学指标

箱涵的混凝土标号为C35，计算容重为26 kN/m3；钢筋型号为HRB400。混凝土力学指标表如表1所示。

表1 混凝土力学指标表

2.2 荷载取值

无底板外伸及底板外伸箱涵的荷载区别，主要为底板外伸箱涵需要考虑底板外伸处的覆土压力，具体如图1所示。

图1 结构计算简图

计算采用的设计参数按照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)和《公路涵洞设计细则》(JTG/T D65-04-2007)的有关规定取值。

(1)结构自重

按重度为26 kN/m3施加，取自重系数为1.04。

(2)覆土自重

由《公路涵洞设计细则》(JTG/T D65-04-2007)第9.2.2条，根据覆土厚度与涵外形宽度之比确定土压力集中系数K，按土体重度为20 kN/m3，根据实际情况计算覆土自重集度。

(3)土侧压力

取内摩擦角为30°，由《公路涵洞设计细则》(JTG/T D65-04-2007)第9.2.2条，侧压系数λ=0.333，偏安全考虑算至顶板底缘和底板底缘。

(4)车轮竖向荷载

车轮竖向荷载按土压力30°扩散到涵顶，当覆土厚度大于0.5 m时，不考虑冲击，不大于0.5 m时，取冲击系数为0.3。按《城市桥梁设计规范》(CJJ11-2011)第10.0.2条，取车辆作用于涵洞最不利位置进行加载。

(5)单侧汽车土压力

根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)式H.0.1-3对单侧汽车土压力进行计算。

(6)温度荷载

过水箱涵按±5 ℃；过人、过车箱涵按±10 ℃。

(7)地震作用：设计基本地震动峰值加速度取≤0.2 g，按《公路工程抗震规范》(JTG B02-2013)第9.0.3条和第7.2.3条。

2.3 有限元模拟

此次静力计算建立板单元模型进行受力分析，采用midas civil 2018进行计算。结构离散图见图2。

图2 结构离散图

施工方法：按一次浇筑、一次落架进行计算，即采用一次激活。

边界条件：在涵底和涵侧施加土弹簧约束，取m值为10 000 kN/m4，涵洞轴向施加一个刚度非常小的节点弹性支撑，防止计算发生奇异。

2.4 作用效应组合

本次研究采用基本组合，详见《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)公式4.1.5-1，用于正截面抗弯承载力验算和斜截面抗剪承载力验算。

3 计算结果

篇幅所限，摘取3 m×2 m(净跨×净高)覆土0.5 m的箱涵内力计算结果，如图3所示。将上述12个模型所得的部分计算结果列出如表2所示。

图3 顶板主弯矩图

图4 底板主弯矩图

表2 计算结果提取表

4 结 论

比较相同净跨径、净高、覆土厚度时，底板是否外伸时箱涵内力变化趋势。分析表2中数据可以得出以下结论。

(1)底板外伸后，顶板支点负弯矩基本呈现增大趋势，顶板跨中正弯矩、底板支点负弯矩和底板跨中正弯矩均基本呈现减小趋势；

(2)底板外伸后，覆土较小时，侧墙跨中正弯矩减小，覆土较厚时，侧墙跨中正弯矩增加；

(3)底板外伸后，顶板支点负弯矩最大增加8.2%，顶板跨中正弯矩最大减小4.0%，底板支点负弯矩最多减小6.7%，底板跨中正弯矩最多减小29%，侧墙正弯矩最大增加13.9%，可见底板外伸对底板跨中正弯矩和侧墙跨中正弯矩影响较大。

(4)在进行钢筋混凝土箱涵设计时，不考虑底板外伸时将使得结构内力计算出现4%～29%的误差。当结构内力增大时，会影响结构安全性能；当结构内力减小时，会影响结构经济性。

综上，为确保结构安全、耐久、适用、经济等原则，建议进行钢筋混凝土箱涵计算、设计时，考虑结构底板外伸的影响。