大断面管棚——箱涵顶进的箱涵结构数值模拟

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷第３期　２００７年６月　河南科学　Ｖｏ１．２５　Ｎｏ．３　ＨＥＮＡＮ　ＳＣＩＥＮＣＥ　Ｊｕｎ．２００７　文章编号：１００４—３９１８（２００７）０３—０４５７—０４　大断面管棚　箱涵顶进的箱涵结构数值模拟　孑Ｊ、　杰　（开封市公路管理局，河南开封４７５０ｏ０）　摘要：下穿京珠高速公路的钢筋混凝土顶进箱涵是郑州至开封城市通道项目的关键工程，目前，该箱涵宽度为　亚洲第一．采用有限元方法对管棚支护下顶进施工的箱涵结构进行了多种工况下的受力分析，结果表明　本设计具有有效性和合理性．　关键词：管棚；箱涵；有限元方法　中图分类号：Ｕ　４４２　文献标识码：Ａ　管棚幕——箱涵顶进是在箱￣Ｊ＇ｔ－周封闭钢管幕的保护下进行箱涵顶进，钢管幕由小直径的钢管通过顶　管法施工及锁口接头的水密性处理后形成，箱涵则在工作井内分节预制完成【。４１．郑州至开封城市通道项目　全线位于郑州、开封市境内，第一合同段范围Ｋ０＋１５０～ＫＩ＋０００，其中以下穿京珠高速公路的钢筋混凝土顶进　箱涵为关键工程．目前，该箱涵宽度为亚洲第一．经综合比较分析后，箱涵采用顶进法施工，路面土体采用　大管棚支护、钢网格刃脚分割土体支护技术，稳固掌子面；箱涵分为３节预制顶进，节与节之间设中继间，顶　进时采用中继间法项进；箱涵底设水平钢管作为滑行轨道，顶进段路基底部设弧形水平降水管降水，基坑及　箱涵周围采用井管和斜井降水．　１箱涵断面布置　横断面结构形式根据工程的建设规模及线路布置确定．项目建设采用城市快速路技术标准，设计速度　８０　Ｋｍ／ｈ，规划控制道路宽度１００　ｍ，采用三幅路形式建设，分二期实施．一期工程路基宽５２　ｍ，包括１０车　道快车道，中间设双黄线分隔带，两边侧分带２　ｍｘ５．５　ｍ，排水设施和照明低压电缆铺设．桥涵设计载荷：　城一Ａ级．桥面净宽４１．５　ｍ．　Ｋ０＋３０７下穿京港澳高速公路分离式立交由Ｕ型槽和箱涵两部分组成，下穿京港澳高速公路部分为钢　筋混凝土箱涵，长５２　ｍ，分３节分别是１７　ｍ、１８　ｍ、１７　ｍ，轴线与高速公路斜交夹角１１４．２２８。，箱涵两侧用ｕ　型槽与两端路线相联接．路线车道分为机动车道和非机动车道，机动车道ｕ型槽和箱涵的单向净宽为２０．８　ｍ，　非机动车道单向净宽为１２　ｍ．下面以机动车道箱涵为例计算．箱　．　．．，．　；　涵斜净跨２２．８　ｍ，净高ｈｏ＝６．５　ｍ，箱涵顶覆土平均厚度Ｈ＝Ｉ．２　ｍ，箱涵　全高ｈ＝９．２　ｍ，土的内摩擦角为ｔｈ＝３０。，混凝土容重按２６　ｋＮ／ｍ。，地　基机床系数按２５　０００　ｋＮ／ｍ　，地下水位按底板以上３　ｍ计，地下水具　有弱侵蚀性，可按Ｉ类环境进行耐久性设计，荷载等级为公路一Ｉ级．　截面尺寸拟定：项板厚度６　＝１３０　ｃｍ，底板厚度８２＝１４０　ｃｍ，侧墙　厚度ｔ＝１３０　ｃｍ，顶板加腋尺寸：１００　ｃｍｘ５０　ｃｍ，顶板加腋尺寸：５０　ｃｍ￣　一．．．一……．．．…！墨曼………一．．．……一１．４２图１郑汴快速通道机动车道箱涵结构尺寸　Ｆｉｇ．１　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇ—Ｂｉａｎ　ｔｕｒｂｏ　ｃｈａｎｎｅｌ　５０　ｃｍ，具体见图１所示．　２荷载计算　２．１恒荷载计算　２．１．１　土竖向压力　由于高速公路路基较厚，且施工中采用管棚支护等因素的影响，故将上覆土容重取为　ｙ。＝２３　ｋＮ／ｍ　，上覆土厚度取平均厚度１．２　ｍ；一般土的容重按１９　ｋＮ／ｍ　考虑，地下水位以下土的容重按　９　ｋＮ／ｍ　计，地下水位水面线在底板以上３　ｍ处，因此，顶板顶部土竖向压力为ｐ＝ｙ　Ｈ＝２３ｘ１．２＝２７．６　ｋＮ／ｍ　：　收稿日期：２００６—１２—２１　作者简介：孙杰（１９６６一），男，河南开封人，高级工程师．　维普资讯 http://www.cqvip.com ——４５８——　河南科学　第２５卷第３期　２．１．２土的水半』盘力　由计算公式　：　。Ｈｔａｎ２　４５。一孚）知：　顶板顶部：ｅｐｌ＝２３ｘ１．２ｘ０．３３３＝９．５　ｋＮ／ｍ　侧墙地下水位以上：　：（ｙ１日＋　２　）ｔａｎ２　４５。一孚）－（２３×１．２＋１９×６．２）×０．３３３＝４８．４２　ｋＮ／ｍ　底板处：　：（Ｔｉｌ＋＇ｙ２ｈ＋　３×３）ｔａｎ２　４５。一孚）－（２３×１．２＋１９×６．２＋９×３）×０．３３３－６６．２　ｋＮ／ｍ　２．１．３底板水浮　２．２活载　Ｆ浮＝ｙｇｈ＝ｌＯｘｌＯ　ｘｌＯｘ３ｘｌＯ　＝３０　ｋＮ／ｍ　公路一Ｉ级车辆荷载由（（／厶＼路桥涵设计通用规范》（ＪＴＧ　Ｄ６０－２００４）４．３．４条计算，一个汽车后轮横向分布宽：　０６．＋１．２ｔａｎ３。ｏ—ｏ　＞　１．３ｍ／＼　　＞１９　舢１　，’　２因此，两列车相邻车轴有荷载重叠，且单列车的两个轴也有重叠，应按如下公式计算横向分布宽度：　Ⅱ：ｆ　＋１．２ｔａｎ３０。）×２＋１．３＋２×１．８：６．８９　ｍ　同理，纵向分布宽度计算如下：　０．２＋１．２ｔａｎ３０。：０．７９３　ｍ＞　一　ｎ所以：　２．２．１　车辆荷载后轮垂直压力　６：１Ｉ４＋ｆ　２ｔａｎ３０。）×２：２．９９　ｍ　考虑重车影响，将车辆荷载提高３０％，所以：　１．３ｘ４ｘ１４０ｇ车。　—３５．３４　ｋＮ／ｍ　口车ｌ：—６．８９ｘ—２９９　’　—：．２．２．２车辆荷载水平压　２．２．３　中间车轮的垂直压　２．２．４前轮的垂直压　３５．３４×ｔａｎ２　孚）＝１１．７８　ｋＮ／ｍ２　１．３ｘ４ｘ１２０　ｇ车　＝３０．２９　ｋＮ／ｍ　１．３ｘ２ｘ３０　ｇ车　＝７．１２　ｋＮ／ｍ　３计算荷载工况　为了尽可能真实地模拟箱涵在施工和运营中的实际受力条件，共设计了５种荷载工况．　３．１工况一该工况为运营工况，主要考虑弯曲作用，且不考虑管幕和管棚的卸荷影响，其荷载组合为：１．２　恒载＋１．２竖向土压力＋１．４汽车活载＋１．４汽车水平压力＋１．０水浮力＋１．４土侧压力＋１．０收缩徐变，荷载布置示　意图如图２所示：　３　ｌ４　７　１　４　ｒ——ｒ１——————１－广　Ｌ压力单位：ｋＮ／　３０　１２０　１　２０。　。。二恒载土压力　●１　——蕊４０　１４０　：：　）　；　；　力　力　度单位：　１恒载士压力　—　～　Ｉ』＇１一一　ｌ■　汽车活载　士压力　ｌ　‘　＾‘　ｌ　Ｉ　Ｉ　ｌ　ｉ　ｆ‘｛　０　置一・・　÷０　ｔｕｒｏ　ｂｃｈａｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　二二二二　二二　ｌｌ＿　—　｝－＿ｌ　ｌ　Ｉ　｛Ｌ鸯熙　裔　图２郑汴快速通道机动车道箱涵工况一荷载示意图　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇ—Ｂｉａｎ　图３郑汴快速通道机动车道箱涵工况二荷载示意图　Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇ－Ｂｉｎ　ａｔｕｒｂｏ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　２ｎｄ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　维普资讯 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２００７年６月　孙杰：大断面管棚——箱涵顶进的箱涵结构数值模拟　一４５９—　３．２工况二该工况为运营工况，且不计汽车活载引起的土压力，荷载组合为：１．２恒载＋１．２竖向土压力＋　１．４汽车活载＋１．０水浮力＋１．４土侧压力＋１．０收缩徐变，布置如图３所示：　３．３工况三该工况为运营工况，主要考虑顶板端部的斜截面受剪作用，将汽车荷载的后轮位于侧墙顶部．　其荷载组合：１．２恒载＋１．２竖向土压力＋１．４汽车活载＋１．４汽车水平压力＋１．０水浮力＋１．４土侧压力＋１．０收缩　徐变，布置如图４所示：　３．４工况四　该工况为施工完成工况，考虑管幕的卸荷作用，因此无土压力和汽车活载水平压力，但不计管棚　的卸荷影响．其荷载组合：１．２恒载＋１．２竖向土压力＋１．４汽车活载＋１．０水浮力＋１．０收缩徐变，布置如图５所示：　图４郑汴快速通道机动车道箱涵工况三荷载示意图　图５郑汴快速通道机动车道箱涵工况四荷载示意图　Ｆｉｇ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇ—Ｂｉａｎ　Ｆｉｇ．５　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｏｆ　Ｚｈｅｎｇ—Ｂｉａｎ　ｔｕｒｂｏ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　３ｒｄ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｕｒｂｏ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　４ｔｈ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　４空间受力分析　为了检验设计方案的有效性和合理性，利用通用有限元分析程序ＡＮＳＹＳ针对各工况进行了三维空间　建模和静力分析．全涵洞共划分４３　９５７个节点，２３　４７８个Ｓｏｌｉｄ　４５单元，８　１０６个Ｓｕｒｆ　１５４单元，２　７９５个　Ｃｏｍｂｉｎｌ４单元．有限元模型如图６所示，工况一作用下应力及位移计算结果如图７至图１３所示．　以上计算结果表明：在工况一作用下，顶板跨中主拉应力最大为１．１３　ＭＰａ，最大主压应力发生侧墙中，　图６工况一作用下机动车道箱涵有限元模型图　图７　工况一作用下机动车道箱涵加载示意图　Ｆｉｇ．６　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　Ｆｉｇ．７　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｕｎｄｅｒ　１　ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　图８工况一作用下机动车道箱涵主压应力云图　图９工况一作用下机动车道箱涵主压应力云图剖面　Ｆｉｇ．８　Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｆｉｇ．９　Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅａ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅａ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　维普资讯 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一４６０一　河南科学　第２５卷第３期　图ｌＯ工况一作用下机动车道箱涵主拉应力云图　Ｆｉｇ．１０　Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　图ｌｌ工况一作用下机动车道箱涵主拉应力云图剖面　Ｆｉｇ．１　１　Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｏｘ　ｃｕｌｂｖｅｒｔ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　图１２工况一作用下机动车道箱涵竖向位移云图　Ｆｉｇ．１２　Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　图１３工况一作用下机动车道箱涵竖向位移云图剖面　Ｆｉｇ．１３　Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｄｒｉｖｅｗａｙ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｕｎｄｅｒ　１ｓｔ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　达到７．９　ＭＰａ；顶板跨中最大位移为３．５　ａｍ．　５结语　下穿京珠高速公路的钢筋混凝土项进箱涵是郑州至开封城市通道项目的关键工程，目前，该暗顶箱涵　宽度为亚洲第一．本文采用有限元方法对管棚支护下顶近施工的箱涵结构受力进行了多种工况下的受力　分析和设计，结果表明无论是运营工况（工况一、二、三）或施工工况（工况四），机动车道钢筋混凝土箱涵的　应力和位移计算结果等方面均处于安全范围，可以满足桥梁设计规范要求，从而验证了该设计方案的有效　性和合理性．　参考文献：　［１２　夏民耀，曾进伦．地下工程设计施工手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９９．　［２］李向阳，闫治国，朱合华，等．软土地层管幕法隧道箱涵顶进开挖数值模拟［Ｊ］．地下空间，２００４，２４（５）：６８８—６９１．　［３２　李美玲，袁金荣，王秀志．大断面管幕一箱涵顶进的箱涵结构设计及稳定性分析啪．岩土工程界，２００６，９（２）：７６—８０．　［４］金世章．软土地段矩形箱涵涵身沉降分析啪．铁道标准设计，２００３（２）：２５—２６．　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ－Ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｂｏｘ　Ｃｕｌｖｅｒｔ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　ｉｎ　Ｐｉｐｅ—Ｒｏｏｆ　ＳＵＮ　Ｊｉｅ　（Ｋａｉｆｅｎｇ　Ｃｉｔｙ　Ｈｉｇｈｗａｙ　Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ，Ｋａｉｆｅｎｇ　４７５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｕｎｄｅｒ　Ｊｉｎｇｚｈｕ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｔｙ—　ｒｏｕｔｅｗａｙ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　ａｎｄ　Ｋａｉｆｅｎｇ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｏｆ　Ａｓｉａ．Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ　ｏｆ　ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｉｎ　ｐｉｐｅ—ｒｏｏｆ　ｕｎｄｅｒ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｍｏｄｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｖａｌｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｏｕｒ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｐｅ—ｒｏｏｆ；ｂｏｘ　ｃｕｌｖｅｒｔ：ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ