钢筋混凝土箱涵结构设计（装配式箱涵钢筋混凝土翼墙式洞口设计研究）

宋林 田丹丹 高向鹏中交第二公路勘察设计研究院有限公司 中国葛洲坝集团股份有限公司

摘 要：本文以昌九高速改扩建项目为依托工程，首次提出了一种构造独特的涵洞装配式八字墙洞口形式，并利用ANSYS有限元软件建立三维实体模型对其结构进行了精确的受力分析，得到了可通用于依托工程中的扶壁式钢筋混凝土挡土墙结构形式，并计算得出了各预制节段的最优尺寸和配筋，同时通过现场模型试验研究验证了结构尺寸和配筋的可靠性。设计方案大幅度缩短了施工工期，给依托工程带来了可观的经济效益，值得推广应用。

关键词：应用技术版;装配式涵洞洞口;有限元分析;试验研究;八字翼墙;悬臂式钢筋混凝土挡土墙;扶壁式钢筋混凝土挡土墙;

南昌至九江高速公路(以下简称“昌九高速”)是江西省连接周边省份、加强对外联系，对接长珠闽、融入全球化的跨省高效公路运输大通道的咽喉要道，1996年全面建成通车。随着昌九一体化建设的快速推进及中部地区经济的快速崛起，昌九高速交通量增长迅速，部分路段服务水平已下降为三级，呈现过饱和局面。同时与昌九高速相接南昌东外环、西外环及九江长江二桥均为双向6车道，而昌九高速现状仅为双向4车道，瓶颈制约作用凸显。为了提高昌九高速的服务水平，保证交通大动脉的畅通，进一步促进经济发展，需要对昌九高速进行改扩建。我院承担的昌九高速改扩建标段，共有涵洞141道，通道16道，涵洞、通道采用的装配式箱型涵洞方案进行接长。

目前现有的涵洞洞口均为现场浇筑的重力式结构，现场浇筑施工工点分散，施工水平参差不齐，造成工程质量控制难度大，且各施工步骤为串行作业方式，所需施工周期较长。为满足昌九高速改扩建工程施工进度要求，以及尽量减少对原有交通的影响，首次考虑将接长的装配式箱型涵洞的洞口也设计为装配式结构。

1 装配式洞口选型

涵洞洞口的形式有很多种，根据其发展演变的过程和关系，可以概述为以下七类:

(1)端墙式，也称为一字墙。即是在涵洞洞身的端部砌筑一个垂直于洞身的挡土墙。

(2)翼墙式，有两种形式，即:八字翼墙和直翼墙。

(3)锥坡式。涵洞端墙外配以锥形护坡的形式。

(4)跌水井式。针对进口涵底低于沟底的涵洞，为衔接水流而设置，同时还能消能和沉沙。

(5)扭坡式。主要用于箱涵、盖板涵、拱涵的洞身与比较宽阔的梯形断面人工渠系的连接。

(6)平头式。将洞口的端管按路堤边坡特制成“领圈”状，仅适用于涵洞对水流挤束不大、流速较小的管涵。

(7)走廊式。由洞口两侧高度大致相等或平行或末端过水断面逐次扩大的翼墙组成。

昌九高速改扩建项目涵洞部分采用的装配式箱型涵洞，结合昌九高速原有涵洞的洞口形式，以及当地涵洞过水情况和通道交通状况，确定洞口选用八字型翼墙式进行设计研究。

2 预制挡土墙方案比选

装配式涵洞洞口预制时，需要根据吊装重量的限制要求进行分节段预制，最后再拼装形成整体。考虑运输和吊装的要求，预制结构不能采用常规现浇八字墙所用的重力式结构，而应采用轻型挡土墙结构形式。因此，设计考虑将洞口预制节段设计为轻型钢筋混凝土挡土墙结构形式。

钢筋混凝土翼墙式挡土墙常用悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙两种形式。悬臂式挡土墙由底板和固定在底板上的立墙构成，主要依靠底板上填土的重量来维持稳定的挡土墙，主要由立墙和底板两个钢筋混凝土构件组成。扶壁式挡土墙是在悬臂式挡土墙的基础上增加一道扶壁，将立墙与踵板连接起来。

因此，我们初步设计了相应的两种预制钢筋混凝土挡土墙方案:方案一为悬臂式钢筋混凝土挡土墙，方案二为扶臂式钢筋混凝土挡土墙，如图1所示。

图1 两种预制钢筋混凝土挡土墙方案 下载原图

由于所设计的方案一和方案二的挡土墙构件构造特殊，且挡土墙与路基坡面存在一定的角度，为了精确模拟土对挡土墙的作用关系，采用ANSYS有限元软件建立三维实体模型，考虑土体对挡土墙的三维荷载作用，分析确定挡土墙具体结构和尺寸。

经计算，在满足受力要求的前提下，根据尺寸最小化的原则，方案一所示悬臂式钢筋混凝土挡土墙的立墙、踵板尺寸均随着立墙高度的变化而变化，节段拼装完成后，相邻的节段因踵板厚度和立墙厚度均不一致，造成八字墙踵板顶面和立墙背面均不是一个平面，对节段间的连接和防水带来不便。此外，立墙超出踵板和趾板底面的设计，对于挡土墙的抗倾覆稳定性有一定的提高，但同时增加了构件运输和吊装的难度，对地基的平整度和精度也提出了更高的要求。

方案二所示扶臂式钢筋混凝土挡土墙，因扶壁的存在，起到了加劲的作用，可以改善立墙和踵板的受力条件，提高结构的刚度和整体性，减小立墙的变形。计算表明，扶臂式钢筋混凝土挡土墙在土体的三维荷载作用下，扶壁根部区域为应力最大区域，因此研究将立墙踵板设计为从自由端向扶壁根部端逐渐增大的形式，同时在扶壁与踵板相交区域设置倒角，即为图1方案二所示形式，以满足结构受力的要求。此外，因为立墙踵板由两边向中间递增的特殊形式，相邻节段交界处可设置为同一厚度值。

与悬臂式钢筋混凝土挡土墙相比，扶臂式钢筋混凝土挡土墙有效的解决了上述悬臂式钢筋混凝土挡土墙的不足，挡土墙各部分的厚度均可以更小，从而可以增加单个预制节段的长度，减少组成单个八字墙的节段数目，使八字墙的整体性更好。由此可知，方案二要更优于方案一。

在方案二的基础上，用ANSYS有限元软件，对不同倾斜角度的八字墙进行了验算，以确定方案二能否在昌九高速改扩建项目中通用。通过计算可知，当八字墙与涵长方向的倾斜角(八字墙偏离涵洞轴线方向的夹角)取为30度时，边坡填土作用于扶壁上的力大于其作用于立墙上的力，扶壁成为了主要的受力结构，当倾斜角更小时更甚，此时方案二就不再适用了。

为保证在昌九高速改扩建项目中通用，在方案二的基础上进行了进一步的优化:适当的回缩了扶壁外延的长度，同时适量延长了踵板的长度，如图2所示。通过ANSYS有限元计算分析，验证了此结构形式的可行性和通用性，因此，最终确定图2所示挡土墙为昌九高速改扩建项目装配式箱型涵洞的装配式洞口预制构件最优方案，当墙高较小时可取消扶壁的设置。

图2 优化的扶臂式钢筋混凝土挡土墙 下载原图

3 三维实体分析确定尺寸

根据昌九高速改扩建项目中装配式箱型涵洞的高度，基于运输吊装重量限制的要求，对八字墙洞口进行分段，每0.5m为一级进行划分，利用ANSYS有限元软件分别计算每一级预制扶壁式钢筋混凝土挡土墙的各部分结构尺寸。

ANSYS有限元分析采用三维实体模型，考虑挡土墙的三维受力状态，以及挡土墙与土体之间的相互作用。建模时，将钢筋混凝土挡土墙与土体单独建模，通过设置接触单元模拟两者之间的相互作用关系。混凝土单元采用实体单元solid65进行模拟，混凝土本构关系采用非线性本构。土体建模时，为更加真实的模拟挡土墙的实际受力状态，考虑将土体分为基础以下的天然土、基础以上10m内的回填土以及基础以上10m外的顶部覆盖土三部分，均采用实体单元solid95进行模拟，土体的参数存在少许的差异，如表1所示。挡土墙内钢筋通过杆系单元link8进行模拟，将其插入混凝土单元中相应位置，并采用完全耦合的连接方式使其与混凝土共同参与受力。

表1 土体参数表 下载原图

挡土墙与底部天然土之间采用接触单元conta174进行模拟，挡土墙底面与天然土表面为带摩擦的面面接触关系，摩擦系数为0.45;挡土墙立墙和扶壁与墙后回填土之间为无摩擦的面面接触关系，采用接触单元targe170进行模拟，建立的模型如图3所示，图中白色密集部分为钢筋混凝土挡土墙，其余均为土体，如图中标注所示。

图3 钢筋混凝土挡土墙有限元计算模型 下载原图

模型加载时，为简化计算，将活载等效换算为顶部的均布荷载，考虑所有土体的自重荷载，计算得到钢筋混凝土挡土墙在活载和土体自重作用下的内力、应力和变形情况，依此确定钢筋混凝土挡土墙的最佳结构尺寸。

通过ANSYS有限元三维实体模型的计算分析，分别得到每一级钢筋混凝土挡土墙各部分的尺寸，如表2所示。

钢筋混凝土挡土墙构件所配钢筋选用HPB 400螺纹钢筋，立墙主筋直径采用20mm，立墙踵板和趾板主筋直径采用25mm，扶壁主筋直径采用25mm，扶壁主筋两端分别与立墙主筋和踵板主筋焊接，以形成钢筋骨架。

表2 昌九高速预制钢筋混凝土挡土墙尺寸表 下载原图

4 箱涵预制洞口试验研究

针对上述计算确定的预制钢筋混凝土挡土墙结构尺寸，结合昌九高速公路改扩建项目中净跨4m、净高4.5m尺寸的装配式箱涵模型试验，选取与装配式箱涵试验模型尺寸相匹配的墙高5.6m、4.1m和2.6m的三种预制钢筋混凝土挡土墙进行试验研究，试验箱涵及预制挡土墙拼装示意图如图4所示。预制挡土墙试验研究主要研究其在填土荷载和汽车荷载作用下的应力情况，应力测点布置如图5所示，设置3排共12个测点，采用电阻式应变片测量，每个测点分别沿轴向和环向两个方向粘贴应变片。

图4 预制钢筋混凝土挡土墙试验模型 下载原图

通过对各级填土荷载工况的数据记录，并将应变数值转换为应力数值，得到各测点的应力监测结果，预制八字墙应力测点数据如表3所示:

如表3所示，表中仅给出了高度较大的预制钢筋混凝土八字墙节段上几个控制测点的应力数据，八字墙高度越大，其应力状态越复杂，最不利应力值也越大。由表中数据可知，八字墙立墙的应力随着高度的增加逐渐减小，立墙底部的应力最大，最大应力为0.7012MPa，小于混凝土抗拉强度，因此设计的预制钢筋混凝土八字墙在填土荷载和汽车荷载作用下满足正常使用的要求，结构尺寸可靠，可应用于昌九高速改扩建项目。

图5 预制钢筋混凝土挡土墙应力测点布置图 下载原图

5 预制构件运输吊装

由于预制钢筋混凝土挡土墙结构的独特性，构件运输时只能水平放置运输，同时受车辆宽度的限制，构件在运输车上放置时应根据构件的重心位置合理的控制其摆放位置，摆放方式如图6所示。

运输过程中构件起吊方式应为侧向起吊，安装时为直立起吊，因此，在构件立墙、趾板和踵板的一侧共设置3个吊环钢筋供侧向起吊用，在立墙和踵板的顶部共设置4个吊环钢筋供直立起吊用。构件从水平放置转换为竖向立置时还需经过翻转过程，可利用立墙顶部的2个吊环和侧面的吊环完成。

表3 预制钢筋混凝土八字墙应力监测数据 下载原图

图6 预制钢筋混凝土挡土墙运输示意图 下载原图

6 八字墙附属措施

装配式涵洞洞口因分节段预制拼装，其整体性相对于现浇洞口要较差，因此有必要在相邻节段之间设置连接措施，以加强装配式洞口的整体性。

设计考虑在预制八字墙节段的背面预埋少数螺杆，通过相邻八字墙节段上的预埋螺杆固定连接钢板将相邻节段连接起来，如图7所示。

图7 附属连接钢板示意图 下载原图

7 结论

本文以昌九高速改扩建项目为依托工程，提出了一种箱型涵洞装配式八字墙洞口形式，并利用ANSYS有限元软件对其结构受力进行了全面的分析，得到了可通用于昌九高速改扩建项目中的扶壁式钢筋混凝土挡土墙结构形式，并计算得出了各预制节段的最优尺寸和配筋，同时通过现场模型试验研究验证了结构尺寸和配筋的可靠性。此装配式八字墙洞口具有以下特点:

(1)预制扶壁式钢筋混凝土挡土墙的计算采用的是有限元三维实体模型计算，可以非常真实的模拟土体，准确的计算挡土墙的受力，通过实体模型的应力分布，可以有针对性的对挡土墙受力较大的区域进行重点配筋，相比于传统的截面一致配筋要更加的合理;

(2)装配式八字墙洞口，预制构件全部在工厂批量集中生产，不受外界环境的影响，构件质量可以保障，预制采用的钢模板可重复利用。预制构件运输至施工现场进行拼装，可快速完成洞口施工，大幅度减少施工工期，节约施工成本，既经济又环保;

(3)此装配式八字墙洞口形式在昌九高速改扩建项目中的应用，为项目带来了可观的经济效益，与常规现浇八字墙洞口相比，施工工期缩短了60%，施工成本降低了30%。

(4)本文设计的扶壁式钢筋混凝土挡土墙是针对于昌九高速改扩建项目八字墙特定范围倾斜角度设计的，是否可在其他任意倾斜角度的八字墙中通用，需要进一步的计算验证和推广;

(5)本文设计的装配式钢筋混凝土八字墙为首次应用，后期需要对其运营过程进行跟踪，以及时发现和掌握其可能存在的不足，并在后续的研究中进行调整和优化。

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