吳太原（安徽省五河縣水利局設計室　五河　233300）

采用Midas對涵洞進行結構安全分析一例

吳太原
（安徽省五河縣水利局設計室五河233300）

水工建筑物結構安全復核計算作為對水工建筑物進行技術改造或拆除重建的重要依據(jù)，對計算的準確度與精度要求自然也較高，采用Midas有限元分析軟件模擬建筑物的真實受力工況，對結構進行有限元分析，可以避免一般簡化計算方法精度與準確度不高的缺點。

MidasCivil有限元分析抗壓強度

安徽省某泵站穿堤涵洞因工程建設，需要對建筑物進行結構安全復核，分析涵洞結構安全性，為加固改造提供科學依據(jù)。涵洞為2孔3.0m×3.0m鋼筋混凝土箱涵，中墩厚0.4m，頂、底板及邊墩厚0.5m，布置圖如圖1。

圖1　某泵站穿堤涵洞圖

1　檢測情況與規(guī)范符合性分析

根據(jù)檢測部門現(xiàn)場鉆芯取樣檢測，1#、2#、3#、4#采涵洞洞身鉆芯取樣的混凝土抗壓強度最小值約為21.0N/mm2。5#涵洞洞身鉆芯取樣的混凝土抗壓強度最小值僅為18.70N/mm2，且離散性較高。

根據(jù)檢測結果，被檢涵洞洞身混凝土均不滿足規(guī)范規(guī)定的耐久性要求。5#涵洞不符合規(guī)范規(guī)定的混凝土強度等級要求。

2　結構安全復核計算

2.1安全復核計算要點分析

涵洞為高填方涵洞，亦有資料稱其為溝埋式涵洞。根據(jù)其受力特點，結合涵洞可能出現(xiàn)的結構破壞形式分析，需要對涵洞的抗彎、抗剪、應力集中、因彎矩形成的受壓區(qū)混凝土抗壓及涵洞配筋逐一進行分析計算。

這里采用Midas對涵洞結構進行較全面的有限元分析。分別采用Midas Gen，板模型計算涵洞的彎矩，剪力及板模型狀態(tài)下的局部應力情況；采用Midas FEA和Midas Civil實體模型模擬涵洞的真實受力情況，獲得涵洞更接近實際的應力分布圖。

2.2結構安全復核數(shù)據(jù)輸入

根據(jù)檢測機構檢測結論作采用鉆芯取樣方法獲得的樣本強度推定值，采用偏安全的方法確定現(xiàn)有涵洞的混凝土軸心抗壓強度標準值，即對于5#涵洞洞身，強度最小值18.70N/mm2，采用C15混凝土軸心抗壓強度設計值；對于其余涵洞洞身，強度最小值21.0kN/mm2，采用C20混凝土軸心抗壓強度設計值。

涵洞為高填方涵洞，洞頂最高填土10m，最低填土高度3.9m，根據(jù)涵洞縱斷面布置及檢測結果，取4#和5#涵洞作為代表進行結構復核計算。

表1　運行工況分析表

表2　有限元分析計算結果表

圖2　平面單元應力等值線圖（kN/m2）　

圖3　彎矩等值線圖（kN·m/m）　

圖4　完建期實體單元應力分析圖

涵洞填土容重18kN/m3，活荷載忽略不計。地基土基床系數(shù)根據(jù)地質報告及現(xiàn)場開挖情況，取20000kN/m3。

2.3涵洞計算工況選擇

由表1可知，涵洞檢修期無內水壓力，且涵洞外側同時受水壓力及土壓力作用，所以涵洞檢修期為最不利受力狀態(tài)。這里分別選取涵洞完建期及檢修期工況對涵洞進行承載力復核。

2.4 4#涵洞安全復核計算：

2.4.1完建期有限元分析

取完建期作為計算工況，運用Midas Gen進行板單元結構有限元分析。

經(jīng)計算，涵洞墩墻及頂板單元正應力最大值為8257.01kN/m2≈8.3N/mm2，小于采用內插法推定的現(xiàn)有4#涵洞的混凝土軸心抗壓強度設計值10.0（N/mm2）。因此，完建期在不考慮耐久性等因素的情況下，4#涵洞混凝土結構抗壓強度可以滿足要求。

根據(jù)分析結果，涵洞最大彎矩在底板邊墩連接處330kN·m，中墩頂部最大彎矩275kN·m，邊墩跨中最大彎矩為165kN·m。

混凝土強度等級改變時，結構的配筋量變化不大，經(jīng)計算，實際配筋1414mm2＞1073mm2，滿足要求。

同理，結合剪力及彎矩等值線圖（如圖2、圖3），可知涵洞抗剪強度滿足要求。

2.4.2檢修期有限元分析

4#涵洞檢修期工況計算，方法同上，有限元分析計算計算結果見表2。

檢修期4#涵洞墩墻及頂板單元正應力最大值為8833.21kN/m2≈8.8N/mm2，小于采用內插法推定的現(xiàn)有4#涵洞的混凝土軸心抗壓強度設計值10.0（N/mm2）。

2.5 5#涵洞結構復核計算

根據(jù)板單元有限元分析，5#涵洞墩墻及頂板單元正應力最大值為7394.25kN/m2≈7.4N/mm2，略大于采用內插法推定的現(xiàn)有5#涵洞的混凝土軸心抗壓強度設計值7.2（N/mm2），結構不安全。

由于板單元模型屬于簡化模型，未考慮涵洞貼腳等因素，為確保計算準確，采用Midas FEA結合Midas Civil對5#涵洞洞身進行實體模型有限元分析。完建期實體單元應力分析圖見圖4。

經(jīng)計算可知，完建期考慮貼腳作用涵洞洞身實體單元正應力最大值為56693.2kN/m2≈5.7 N/mm2，小于C15混凝土軸心抗壓強度設計值7.2（N/mm2），承載力尚能滿足安全要求。

同理，進行檢修期實體單元應力分析，檢修期考慮貼腳作用涵洞洞身實體單元正應力最大值為6119.72kN/m2≈6.8N/mm2，小于C15混凝土軸心抗壓強度設計值7.2（N/mm2），承載力滿足安全要求。

3　結論

綜合上述分析可知：目前完建期、運行期及檢修期工況下結構尚能安全運行，但涵洞洞身混凝土強度不符合規(guī)范規(guī)定的強度等級要求，需對涵洞加固改造■