趙永剛 鐘恒昌 吳文東

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 蚌埠 233001）

1 概況

埋置于土中的箱涵受力體系為“結(jié)構(gòu)—地基”模式，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力受地基土性狀、洞身周邊填土特性和地基開(kāi)挖再回填的邊荷載等因素影響，嚴(yán)格地講，應(yīng)按空間問(wèn)題分析其應(yīng)力分布狀況，計(jì)算極為繁冗，因此在工程實(shí)踐中，往往近似地簡(jiǎn)化成平面問(wèn)題，采用“截板成梁”方法構(gòu)建成為彈性地基上的整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

彈性地基上的整體框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析大致有四類(lèi)方法：一是反力直線法，假定基底反力為直線分布，此法適用于相對(duì)密度小于或等于0.50的砂土地基；二是基礎(chǔ)梁法，將結(jié)構(gòu)與地基接觸的基礎(chǔ)部分簡(jiǎn)化為彈性地基上的基礎(chǔ)梁板進(jìn)行計(jì)算，不考慮上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的制約作用；三是有限元法，將上部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、地基離散為各種形式的單元，建立彈性連續(xù)介質(zhì)地基模型，采用組合有限元法進(jìn)行分析；四是半解析—子結(jié)構(gòu)法，用有限元法求解上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的單元位移，用解析法求出各種地基模型下的沉陷系數(shù)，利用位移協(xié)調(diào)條件和結(jié)構(gòu)平衡條件求得地基反力，進(jìn)而求解上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的內(nèi)力、位移。

對(duì)箱涵邊荷載是指計(jì)算單元的箱體兩側(cè)的箱涵或邊孔側(cè)回填土作用于地基上的荷載。邊荷載對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，與地基土質(zhì)、邊荷載強(qiáng)度、作用位置、地基可壓縮土層厚度以及邊荷載施加程序等因素有關(guān)，情況是十分復(fù)雜的。在分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮地基土質(zhì)及邊荷載施加程序?qū)?yīng)力的影響，以此確定邊荷載計(jì)算百分?jǐn)?shù)，但計(jì)算工作量大，因此在工程設(shè)計(jì)中作一些原則性的考慮。如現(xiàn)行的《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，采用彈性地基梁法分析底板應(yīng)力，當(dāng)邊荷載使底板內(nèi)力增加時(shí)，則全部計(jì)及其影響；當(dāng)邊荷載使底板內(nèi)力減少時(shí)，粘性土地基不考慮其影響，砂性土地基僅考慮50%。

2 算例

2.1 工程資料

三孔一聯(lián)箱涵（多聯(lián)組成的中間聯(lián)），單孔凈尺寸6.80m（ 寬）×8.00m（ 高），頂板、中隔墻、側(cè)墻均厚 1.00 m，底板厚1.30 m，箱涵結(jié)構(gòu)如圖1所示，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，素混凝土墊層為C15。

箱涵座落在中密狀粉細(xì)砂上，直接快剪C=4kPa，φ=37°,標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)21擊，允許承載力210kPa，建基面以下層厚約13.50m。下層為中密到密實(shí)狀細(xì)砂，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)25擊，允許承載力250kPa，鉆頭進(jìn)入該土層約4.50m，未穿透。

2.2 計(jì)算模型

可壓縮土層厚度與彈性地基梁半長(zhǎng)之比值n=1.45，介于0.25～2.0之間，可按有限深的彈性地基計(jì)算。箱涵鋼筋混凝土的重力密度 γ=25kN/m3，彈性模量E=2800MPa，泊松比υc=0.167；粉細(xì)砂層的彈性模量E=20MPa，泊松比υc=0.31；細(xì)砂層的彈性模量E=30MPa，泊松比υc=0.30。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析僅考慮工程完建后投入運(yùn)行初期，整體框架結(jié)構(gòu)承受荷載條件下彈性地基上的框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。作用在箱涵上的荷載有：（1）除底板外的結(jié)構(gòu)自重；（2）作用頂板的荷載 q1=80kN/m；（3）作用側(cè)墻的荷載q3=q4=0kN/m（內(nèi)外水壓抵消）；（4）地基反力由位移協(xié)調(diào)條件和結(jié)構(gòu)平衡條件求得；（5）邊荷載作用范圍取一聯(lián)箱涵底板長(zhǎng)度24.4m，計(jì)入100%邊荷載q5=120kN/m，計(jì)入50%邊荷載q5=60kN/m。

2.3 內(nèi)力計(jì)算

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用普及各個(gè)領(lǐng)域，工程計(jì)算自動(dòng)化程度越來(lái)越高，彈性地基上的框架法采用電算比手算方便得多。本文采用一款電算軟件進(jìn)行計(jì)算，邊荷載計(jì)算百分?jǐn)?shù)為0%、50%和100%?；趯?duì)地基塑性變形可使地基反力重分布設(shè)計(jì)采用反力直線分布法校核。

3 計(jì)算成果分析

考慮邊荷載計(jì)算百分?jǐn)?shù)為0%、50%和100%下彈性地基上框架法及反力直線分布法的箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算成果詳見(jiàn)表1，成果數(shù)據(jù)表明：（1）邊荷載增大使地基反力趨于更均勻，箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力彎矩圖趨于反力直線分布法計(jì)算成果；（2）有限深壓縮層地基模型考慮邊荷載和不考慮邊荷載的計(jì)算結(jié)果相差較大；（3）底板正彎矩（最大值）隨計(jì)入邊載比例增加而增大，負(fù)彎矩（最大值）隨計(jì)入邊載比例增加而減??；（4）頂板正、負(fù)彎矩（最大值）均隨計(jì)入邊載比例增加而增大；（5）考慮本案例荷載的特殊性，側(cè)墻彎矩增減百分比偏大，但隨計(jì)入邊載比例增加其墻頂彎矩減小，而墻底彎矩增大的影響趨勢(shì)不變；（6）設(shè)計(jì)采用反力直線分布法校核是有必要的

表1 箱涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)表