向桂兵，鄧小康，李璐杰

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.武漢市市政工程質量監(jiān)督站，湖北　武漢　430000)

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某漫水箱涵受力分析研究

向桂兵1，鄧小康2，李璐杰1

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.武漢市市政工程質量監(jiān)督站，湖北武漢430000)

文章結合某漫水箱涵工程實踐，對該箱涵進行荷載分析和整體穩(wěn)定性分析，并采用Midas Civil軟件建模對箱涵進行結構內力分析和截面驗算。計算結果表明，該箱涵設計安全合理，滿足規(guī)范要求，對類似工程設計有一定的參考意義。

箱涵；荷載分析；整體穩(wěn)定性分析；結構內力分析；截面驗算

0　引言

箱涵作為一種整體式框架結構，具有結構承載力高、整體穩(wěn)定性好、防滲性能好、地基適應性強的特點。在公路工程設計中，小型橋涵方案優(yōu)化經常遇到一些特殊情況，比如單孔小跨徑橋梁位置處地基承載力較低、漫水工程河流流量大水壓力強等，此時箱涵方案往往成為一種不錯的選擇。

本文以某漫水公路工程中的一座(4-5×2)m箱涵為例，對該涵洞的設計特點進行闡述，并從箱涵整體穩(wěn)定性及截面驗算等方面進行受力計算分析。

1　工程概況

本工程為跨越兩國界河的跨境漫水工程，根據兩國政府間談判協定，在界河河槽位置以界樁為中心設置一座(3×9)m小橋，由于中方側河灘緩坦，為滿足常水位過水要求，在中方側河灘位置設置一座(4-5×2)m箱涵，箱涵大樁號側設置5 m實心板與上述小橋橋臺相接。箱涵采用現澆閉合框架結構，橫向寬度11.0 m，每孔凈空2.0 m，高度為3.30 m，頂板厚0.65 m，底板厚0.65 m，側板中板厚均為0.55 m，箱涵斷面如圖1所示。

圖1　箱涵斷面圖(單位：cm)

2　設計資料

2.1設計參數確定

2.2荷載分析

本涵洞承受荷載包括涵身自重、涵頂鋪裝重量、河岸側恒載產生的臺后土壓力、河岸側活載等墻后土壓力、汽車荷載(含沖擊力)、大樁號側實心板恒載活載產生的豎向反力。在過水狀態(tài)下，側向水壓力將抵消部分臺后土壓力，對結構受力有利，因此結構計算時本箱涵作為無壓涵洞考慮。

(1)恒載計算

涵頂鋪裝重量集度q=24×11×0.14=37.0 kN/m；

根據地質資料，臺后填土內摩擦角φ=25°，涵頂無覆蓋土。河岸側恒載產生的臺后土壓力：

頂板處：ep1=γHt2an(45°-φ/2)=0；

底板處：ep2=γ(H+h)t2an(45°-φ/2)=23×3.3×t2an32.50×11=338.9 kN/m。

大樁號側實心板恒載產生的豎向反力及力偶：

F1=24×11×5×0.69=455.4 kN；

M1=455.4×0.425=193.5 kN·m。

(2)活載計算

按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)車輛荷載標準值，取汽車荷載沖擊系數為0.3，汽車荷載垂直壓力：

因此汽車荷載水平壓力：

ep汽=94.8×11×t2an32.5°=423.2 kN/m。

大樁號側實心板活載最不利布置產生的豎向反力及力偶：

F2=(140+140×3.3/4.7)×2=476.6 kN；

M2=476.6×0.425=202.6 kN·m。

3　整體穩(wěn)定性分析

根據設計規(guī)范要求，結合本涵洞受力特點，分別對涵洞結構進行抗浮、抗滑驗算。

(1)抗浮驗算

涵洞受力最不利淹沒狀態(tài)下，涵洞抗浮穩(wěn)定性系數為：

(2)抗滑驗算

有水狀態(tài)下，箱涵基底摩阻系數取0.5，忽略側墻與回填土之間的摩阻力，按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)，流水壓力標準值可按式(1)計算：

(1)

根據本項目水文計算結果，設計流速V=4.23 m/s，可求得：

因此抗滑穩(wěn)定性系數為：

4　結構內力分析計算

4.1模型建立

運用Midas/civil 2013對整個箱涵采用梁單元進行建模計算，計算模型如圖2所示。全涵梁單元118個，節(jié)點數量167個。模型中除中腹板與底板交點位置考慮為固結外，其他底板單元均按彈性連接模擬與地基相連，底面彈性支撐系數SDZ=m×10×S，其中，根據地質資料，按《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63-2007)表P.0.2-1取值，非巖石地基水平抗力系數的比例系數m=30 000 kN/m4，求得SDZ=3 236 194.5 kN/m。

圖2　箱涵計算模型圖

4.2計算結果分析

根據上述模型計算結果，承載能力極限狀況荷載組合cLCB2(1.2恒載+1.4臺后土壓力+1.4移動荷載)作用下截面內力值最大，荷載組合cLCB2作用下各單元包絡圖如圖3所示。正常使用狀況短期作用組合cLCB5(1.0恒載+1.0臺后土壓力+0.7移動荷載)各單元彎矩包絡圖如圖4所示，正常使用狀況長期作用組合cLCB6(1.0恒載+1.0臺后土壓力+0.4移動荷載)各單元彎矩包絡圖如圖5所示。

圖3　承載能力極限狀況cLCB 2組合作用下彎矩包絡圖

圖4　正常使用狀況cLCB 5組合作用下彎矩包絡圖

圖5　正常使用狀況cLCB 6組合作用下彎矩包絡圖

4.3截面配筋驗算

截面配筋驗算主要包括：(1)正截面受彎承載力驗算；(2)斜截面受剪承載力驗算；(3)裂縫寬度驗算。

讀取模型計算內力數據進行截面驗算：

(1)對于底板，clcb2組合作用下，大樁號側中腹板處底板負彎矩最大：Md1=-4 546.0 kN·m，Nd1=4 134.6 kN，大樁號側邊腹板處底板正彎矩最大：Md2=1 935.5 kN·m，Nd2=-1 089.4 kN，大樁號側中腹板處底板剪力最大：Vd1=2 270.4 kN。在短期組合作用clcb 5和長期組合作用clcb 6作用下，大樁號側中腹板處底板負彎矩最大：Ms=-3 437.1 kN·m，Ml=-3 222.0 kN·m。截面驗算計算結果如下：①斜截面抗剪驗算：Vd1=2 270.4 kN<0.50×10-3α2ftdbh0=4 472.3 kN，滿足規(guī)范要求；②上部受力筋：φ25@125(43 199mm2，ρ=0.6%)>As=24 680 mm2，滿足規(guī)范要求；③下部受力筋：φ25@250(21 599mm2，ρ=0.3%)>As=10 220 mm2，滿足規(guī)范要求；④裂縫寬度：Wmax=0.12 mm

(2)對于頂板，同理，clcb 2組合作用下，大樁號側中腹板處頂板負彎矩和剪力最大，大樁號側邊腹板處頂板負彎矩最大，在短期組合作用clcb 5和長期組合作用clcb 6作用下，大樁號側中腹板處頂板正彎矩最大。截面驗算計算結果如下：①斜截面抗剪驗算：Vd1=2 470.9 kN<0.50×10-3α2ftdbh0=4 472.3 kN，滿足規(guī)范要求；②上部受力筋：φ25@250(21 599mm2，

ρ=0.3%)>As=21 064 mm2，滿足規(guī)范要求；③下部受力筋：φ25@125(43 199mm2，ρ=0.6%)>As=27 095 mm2滿足規(guī)范要求；④裂縫寬度：Wmax=0.05 mm

(3)對于腹板，腹板與底板相交處截面內力值最大，截面驗算計算結果如下：①斜截面抗剪驗算：Vd1=2 746.3 kN<0.50×10-3α2ftdbh0=3 707.8 kN，滿足規(guī)范要求；②側面受力筋：φ25@250(21 599mm2，ρ=0.36%)>As=17 280 mm2，滿足規(guī)范要求；③裂縫寬度：Wmax=0.08 mm

5　結語

本文結合某漫水工程(4-5×2)m箱涵設計，并結合設計資料，對箱涵進行了整體穩(wěn)定性分析和結構內力分析計算。工程實踐表明，箱涵具有結構承載力高、整體穩(wěn)定性好、地基適應性強、工程造價低等特點，因此在小型橋涵方案比選中具有一定優(yōu)勢，其對類似工程設計有一定的參考價值。

[1]JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設計細則[S].

[2]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[3]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范[S].

[4]陳樹汪，李志厚.水下大斷面箱涵結構設計[J].公路，2007(10)：66-70，71.

Stress Analysis and Study of A Water-diffused Box Culvert

XIANG Gui-bing1，DENG Xiao-kang2，Li Lu-jie1

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Wuhan Municipal Engineering Quality Supervision Station，Wuhan，Hubei，430000)

In combination with a water-diffused box culvert engineering practice，this article conducted the load analysis and overall stability analysis on this box culvert，and through the modeling by Midas Civil software，it conducted the structural internal force analysis and sectional checking on this box cul-vert.The results showed that the design of this box culvert is reasonable，which satisfies the regulatory requirements，thus it has a certain reference value for similar projects.Keywords：Box culvert；Load analysis；Overall stability analysis；Structural internal force analysis；Sec-tional checking

2016-05-15

U449.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.06.016

1673-4874(2016)06-0061-03

向桂兵(1982—)，工程師，主要從事公路橋梁勘察設計工作;

鄧小康(1985—)，博士研究生，工程師，主要從事市政工程質量監(jiān)督工作;

李璐杰(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要從事公路橋梁勘察設計工作。