采用Midas对涵洞进行结构安全分析一例

吴太原（安徽省五河县水利局设计室　五河　233300）

采用Midas对涵洞进行结构安全分析一例

吴太原
（安徽省五河县水利局设计室五河233300）

水工建筑物结构安全复核计算作为对水工建筑物进行技术改造或拆除重建的重要依据，对计算的准确度与精度要求自然也较高，采用Midas有限元分析软件模拟建筑物的真实受力工况，对结构进行有限元分析，可以避免一般简化计算方法精度与准确度不高的缺点。

MidasCivil有限元分析抗压强度

安徽省某泵站穿堤涵洞因工程建设，需要对建筑物进行结构安全复核，分析涵洞结构安全性，为加固改造提供科学依据。涵洞为2孔3.0m×3.0m钢筋混凝土箱涵，中墩厚0.4m，顶、底板及边墩厚0.5m，布置图如图1。

图1　某泵站穿堤涵洞图

1　检测情况与规范符合性分析

根据检测部门现场钻芯取样检测，1#、2#、3#、4#采涵洞洞身钻芯取样的混凝土抗压强度最小值约为21.0N/mm2。5#涵洞洞身钻芯取样的混凝土抗压强度最小值仅为18.70N/mm2，且离散性较高。

根据检测结果，被检涵洞洞身混凝土均不满足规范规定的耐久性要求。5#涵洞不符合规范规定的混凝土强度等级要求。

2　结构安全复核计算

2.1安全复核计算要点分析

涵洞为高填方涵洞，亦有资料称其为沟埋式涵洞。根据其受力特点，结合涵洞可能出现的结构破坏形式分析，需要对涵洞的抗弯、抗剪、应力集中、因弯矩形成的受压区混凝土抗压及涵洞配筋逐一进行分析计算。

这里采用Midas对涵洞结构进行较全面的有限元分析。分别采用Midas Gen，板模型计算涵洞的弯矩，剪力及板模型状态下的局部应力情况；采用Midas FEA和Midas Civil实体模型模拟涵洞的真实受力情况，获得涵洞更接近实际的应力分布图。

2.2结构安全复核数据输入

根据检测机构检测结论作采用钻芯取样方法获得的样本强度推定值，采用偏安全的方法确定现有涵洞的混凝土轴心抗压强度标准值，即对于5#涵洞洞身，强度最小值18.70N/mm2，采用C15混凝土轴心抗压强度设计值；对于其余涵洞洞身，强度最小值21.0kN/mm2，采用C20混凝土轴心抗压强度设计值。

涵洞为高填方涵洞，洞顶最高填土10m，最低填土高度3.9m，根据涵洞纵断面布置及检测结果，取4#和5#涵洞作为代表进行结构复核计算。

表1　运行工况分析表

表2　有限元分析计算结果表

图2　平面单元应力等值线图（kN/m2）　

图3　弯矩等值线图（kN·m/m）　

图4　完建期实体单元应力分析图

涵洞填土容重18kN/m3，活荷载忽略不计。地基土基床系数根据地质报告及现场开挖情况，取20000kN/m3。

2.3涵洞计算工况选择

由表1可知，涵洞检修期无内水压力，且涵洞外侧同时受水压力及土压力作用，所以涵洞检修期为最不利受力状态。这里分别选取涵洞完建期及检修期工况对涵洞进行承载力复核。

2.4 4#涵洞安全复核计算：

2.4.1完建期有限元分析

取完建期作为计算工况，运用Midas Gen进行板单元结构有限元分析。

经计算，涵洞墩墙及顶板单元正应力最大值为8257.01kN/m2≈8.3N/mm2，小于采用内插法推定的现有4#涵洞的混凝土轴心抗压强度设计值10.0（N/mm2）。因此，完建期在不考虑耐久性等因素的情况下，4#涵洞混凝土结构抗压强度可以满足要求。

根据分析结果，涵洞最大弯矩在底板边墩连接处330kN·m，中墩顶部最大弯矩275kN·m，边墩跨中最大弯矩为165kN·m。

混凝土强度等级改变时，结构的配筋量变化不大，经计算，实际配筋1414mm2＞1073mm2，满足要求。

同理，结合剪力及弯矩等值线图（如图2、图3），可知涵洞抗剪强度满足要求。

2.4.2检修期有限元分析

4#涵洞检修期工况计算，方法同上，有限元分析计算计算结果见表2。

检修期4#涵洞墩墙及顶板单元正应力最大值为8833.21kN/m2≈8.8N/mm2，小于采用内插法推定的现有4#涵洞的混凝土轴心抗压强度设计值10.0（N/mm2）。

2.5 5#涵洞结构复核计算

根据板单元有限元分析，5#涵洞墩墙及顶板单元正应力最大值为7394.25kN/m2≈7.4N/mm2，略大于采用内插法推定的现有5#涵洞的混凝土轴心抗压强度设计值7.2（N/mm2），结构不安全。

由于板单元模型属于简化模型，未考虑涵洞贴脚等因素，为确保计算准确，采用Midas FEA结合Midas Civil对5#涵洞洞身进行实体模型有限元分析。完建期实体单元应力分析图见图4。

经计算可知，完建期考虑贴脚作用涵洞洞身实体单元正应力最大值为56693.2kN/m2≈5.7 N/mm2，小于C15混凝土轴心抗压强度设计值7.2（N/mm2），承载力尚能满足安全要求。

同理，进行检修期实体单元应力分析，检修期考虑贴脚作用涵洞洞身实体单元正应力最大值为6119.72kN/m2≈6.8N/mm2，小于C15混凝土轴心抗压强度设计值7.2（N/mm2），承载力满足安全要求。

3　结论

综合上述分析可知：目前完建期、运行期及检修期工况下结构尚能安全运行，但涵洞洞身混凝土强度不符合规范规定的强度等级要求，需对涵洞加固改造■