预制装配式箱涵的实用计算方法研究

符碧惠，李玉红

(1.海南高速公路股份有限公司，海南 海口 570203;2.上海千年工程建设咨询有限公司，上海市 201108)

0 引言

我国中西部地区地域辽阔，公路建设里程长，路线多布设于冲积平原上，地表植被稀疏，汇水区域大，防洪、泄洪的需要决定了该地区公路建设中小桥涵在全线分布较多，工程量所占比重较大。

在公路建设施工过程中，小桥涵成为影响整个工程造价、质量和工期的关键因素之一。据有关公路资料不完全统计[1-2]，一般平原区每公里1～3道，山区3～5道，小桥涵的投资占公路建设总投资的20%左右，其投资规模远大于大、中桥。

在我国当前公路建设中，小桥涵的结构型式多以盖板涵、石拱涵、圆管涵为主，因施工方法、工艺、材料单一，所造成施工效率低下，建设速度缓慢，质量难以保证的现状，长期困扰着广大施工企业和建设部门。

预制装配式箱涵由于能够实现工厂化生产和快速化装配，它具有如下优点：（1）预制装配式箱涵的快速化装配能够缩短工期，不影响整个高速公路的修建，从而带来直接和间接的经济效益。（2）工厂化生产能够有效控制涵节的施工质量，避免天气条件等环境因素和不够专业的施工人员施工作业的主客观影响。（3）由于不需要采用模板，装配化施工变得简单，除了施工工期可以缩短外，施工人员也可以减少，从而也带来经济效益。（4）采用标准化的装配式箱涵，可以简化设计过程，缩短设计时间。（5）预制装配式箱涵对地基承载力要求低，结构受力合理，结构刚度大，能够适应各种地质条件。（6）只要采取的措施得当，预制装配式箱涵的病害少，可维护性好，这样可以节省维护成本。

此外，预制装配式箱涵由于装配的特点，需要分成很多涵节，对涵节之间的连接不当，会带来涵节之间的错节，严重时路面出现高低错位，影响了路面的行车使用性能。

预制箱涵在国外已经被大量采用，美国、英国、加拿大、澳大利亚、日本等国均有预制箱涵的设计和施工规范[3]，并且有很多的专门生产预制箱涵的厂家，能够提供很多尺寸和很多形式的预制箱涵。在国内，除了青藏铁路、湖南常德至张家界高速等个别工程外，预制箱涵尚未在国内得到广泛的推广使用，缺乏相关研究，相应标准的制定相对滞后。

本文针对预制装配式箱涵，对其实用计算方法开展研究，对传统的箱涵简化计算方法进行检验及改进，以确保设计分析方法合理。

1 实用计算方法研究思路

在传统的计算方法中，对于箱涵均按平面框架方法[4]进行简化计算，主要原理是：把箱涵横截面简化为一个框架，并且认为箱涵底部土压力均匀分布，侧面土压力均匀变化。

为了验证和改善传统的简化计算方法，以及进行纵向连接计算，本节研究将利用三维有限元实体分析方法，建立考虑箱涵周围土体三维有限元模型，从箱涵周边土压力分布和箱涵自身内力分布特点出发，对平面框架的简化计算方法进行验证与改进。

2 平面框架简化计算方法的校验与改进

建立的实体有限元模型如下：箱涵净跨2 m，净高2 m，采用solid45单元模拟，在计算方法研究阶段采用线性材料。箱涵的顶底板均为28 cm，侧墙为28 cm，混凝土保护层为5 cm。材料用C30混凝土。取1 m长的涵节进行分析。土体采用solid45单元模拟，采用Drucker-Prager材料，弹性模量取30 MPa，泊松比取 0.25，密度为2 000 kg/m3，内聚力取100 kPa，内摩擦角取32°。基础厚度为10 cm，基础的材料为C20混凝土，填土高度为2 m。顶部填土以均布荷载考虑，底部土体用弹性地基模拟，侧土和箱涵之间采用接触连接，能够模拟滑移。模型拥有节点4 332个，单元4 936个。图1为2 m×2 m箱涵的土涵相互作用有限元模型，图2为与箱涵侧壁接触的土体水平应力分布。

图1 2×2 m箱涵的土涵相互作用有限元模型

图2 与箱涵侧壁接触的土体水平应力分布

2.1 涵壁土压力分布特性验证

基于上述模型，仅考虑土体和箱涵自重，取2 m填土研究土压力分布和箱涵内力分布特性进行研究，以验证目前平面框架计算方法中“箱涵底部土压力均匀分布，侧面土压力均匀变化”的土涵作用模型假定。

由图3、图4表明，目前的土压力荷载简化方式是基本准确，可以继续使用。

图3 2 m填土时侧向土压力分布图

图4 2 m填土时底板压力分布图

2.2 涵节的内力分布研究

下面将进一步分析在相同的荷载条件下，分析三维有限元模型与框架模型在内力上的计算差别，为平面框架计算方法的校验与改进提供依据。

把上面得到的土压力施加给平面框架模型，对比分析它们在内力计算上的差别。下面只给出顶板的分析结果对比图（见图5）。

图5 基于平面框架分析法的弯矩图

由图6、图7可见，由于箱涵实际的跨径比中到中的计算跨径小，因此，简化方法算得的弯矩和剪力都比按实体有限元模型算得的稍大，简化方法算得的弯矩和剪力用于设计是偏于安全的。

图6 顶板弯矩图对比

图7 顶板剪力图对比

从图8可见，由于箱涵中到中的计算跨径小于箱涵的外轮廓线，简化的框架模型压力分布的范围比实际小，导致简化方法算得的轴力比实体有限元模型得到的轴力小。

图8 顶板轴力图对比

本文采用如下方法对轴力计算模型进行修正：轴力都加上没有考虑到的轮廓之外的荷载值。对于前面的结果进行轴力修正（见图9），修正后的跨中轴力误差都在4%以内。

图9 顶板轴力修正后对比

2.3 修正后的预制箱涵实用计算方法

上述研究表明，已有的平面框架简化法在分析预制装配式箱涵时，对弯矩与剪力的分析是合理的，但不适用于轴力的分析。本文提出轴力计算需要加上没有考虑到的轮廓之外的荷载值。分析表明修正后的轴力计算模型误差可控制在4%以内。

此外，为了有利于提高箱涵的通用性，静止土压力系数取0.25或者0.5，按照最不利内力组合进行选择。

3 结语

预制装配式箱涵由于能够实现工厂化生产和快速化装配，在国外已广泛使用，而目前国内仅在个别工程中应用，其研究开展与规程制定都相对滞后。

本文对预制装配式箱涵的实用计算方法开展研究。通过土涵相互作用三维有限元模型分析，对传统平面框架模型在该类箱涵的应用效果进行检验，改进了模型假设，建立了实用计算方法。研究表明本文实用方法准确快速，适合于工程设计使用。

[1]刘伟.公路小桥涵的设置与形式选择[J].科技信息，2010(31)：346-346.

[2]刘会清.高速公路小桥涵测设探讨[J].运输经理世界，2003(9)：48-50.

[3]阮铁锋.新规范条件下箱涵设计的一点看法[J].建材与装饰市场营销，2010(7)：268-269.

[4]张新忱,鲁礼信,赵军铃，等.半无限弹性地基上的箱涵内力计算[J].河北工业大学成人教育学院学报，2006(2)：45-49.