基于Midas civil的大跨度單箱地道結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

凌保林

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海 200125）

1 工程概況

該地下通道位于太倉市區(qū)某市政道路下方，采用單孔箱體結(jié)構(gòu)，為道路兩側(cè)地下車庫的聯(lián)絡(luò)通道，實施通道總長度約150m，位于市政道路下方約97m，全段明挖暗埋施工。結(jié)構(gòu)內(nèi)凈空尺寸為12m×3.4m，頂板厚1.2m，側(cè)墻厚1.3m，底板厚1.2m，頂板腋角尺寸為0.3m×0.9m，底板腋角尺寸為0.5m×0.5m，頂板覆土厚度3.5m。

2 Midas civil有限元模型建立

2.1 三維模型假定及模型建立

（1）計算假定：標準段箱頂覆土厚度變化不大，接近于平面應(yīng)變問題，按平面應(yīng)變假定。采用三維任意四邊形板單元模擬頂板、底板、側(cè)壁，通過局部增加板厚度模擬腋角剛度。板單元模型考慮板橫向剪切作用[1]。

（2）邊界條件假定：該工程為大跨度單箱結(jié)構(gòu)，底板可按溫克爾假定設(shè)豎向彈簧（彈簧為只受壓彈簧，當計算得到彈簧受拉時，去除該彈簧約束），土體彈簧剛度取15000kN/m3（參考地勘條件選用）。在結(jié)構(gòu)底板增加雙向水平弱彈簧約束（土體彈簧剛度取1000kN/m3）。

（3）單元劃分：考慮分析精度，一般板單元網(wǎng)格劃分尺寸為0.2m×0.3m。腋角處按0.1m×0.3m劃分。

（4）主體結(jié)構(gòu)采用C35混凝土。材料彈性模量為3.15×104MPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3

（5）多結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)模型。分兩種情況：①不設(shè)置腋角，調(diào)整側(cè)墻厚度；②設(shè)置腋角，調(diào)整側(cè)墻厚度。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 不同板厚設(shè)計參數(shù)

通過Midas civil軟件對兩種情況分別建立有限元模型，如圖1所示。

圖1 有限元模型建立

2.2 荷載類型及組合

（2）結(jié)構(gòu)承受活載：人、車活載、地下水荷載等。

（3）地下通道附近土體淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其內(nèi)摩擦角φ=20°，土容重γ=18kN/m3。側(cè)向土壓力力系數(shù)采用主動土壓力0.49。

（4）荷載組合。取以下兩種工況荷載組合，按其包絡(luò)所得最不利工況進行配筋計算：①自重+頂板覆土+頂板超載+側(cè)墻恒載土壓力；②自重+頂板覆土+頂板超載+側(cè)墻恒載土壓力+側(cè)墻活載土壓力+側(cè)墻水壓力+底板浮力。

3 結(jié)構(gòu)受力特性分析

地下通道內(nèi)力分析節(jié)點布置圖如圖2所示，以圖中節(jié)點內(nèi)力為研究對象，文章僅對最不利荷載組合下的標準值進行分析。

圖2 地下通道內(nèi)力分析節(jié)點布置圖

（1）不設(shè)置腋角時：Ma為頂板跨邊彎矩；Mb為頂板跨中彎矩；MA為底板跨邊彎矩；MB為底板跨中彎矩；Mc為側(cè)墻跨邊彎矩；Md為側(cè)墻跨中彎矩。

（2）設(shè)置腋角時：Ma1為頂板跨邊彎矩；Mb1為頂板跨中彎矩；MA1為底板跨邊彎矩；MB1為底板跨中彎矩；Mc1為側(cè)墻跨邊彎矩；Md1為側(cè)墻跨中彎矩。

3.1 不設(shè)置腋角調(diào)整側(cè)墻厚度參數(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響

結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當頂板厚度為1.2m，底板厚度為1.2m，側(cè)墻厚度從1.1m按0.1m增長至1.5m時，頂、底板、側(cè)墻彎矩變化規(guī)律如下：

（1）頂板跨中彎矩Mb呈下降趨勢，但下降幅度逐步降低?？缰袕澗叵陆捣扔?.1%下降到3.8%；頂板跨邊彎矩Ma呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低?？邕厪澗厣仙扔?.4%下降到1.7%。

傳統(tǒng)課堂，講臺往往是教師一個人“唱獨角戲”的舞臺，課上、課下學(xué)生處于被動接受的地位，有問題不能第一時間溝通交流，嚴重影響學(xué)習(xí)效果。在線開放課程為師生間、生生間提供交流的平臺。教師利用平臺提出問題，引發(fā)討論；學(xué)生無論在課上還是課下均可第一時間參與進來，交流各自的想法。另外，學(xué)生間也可以在課程平臺自發(fā)地討論學(xué)習(xí)內(nèi)容，協(xié)作完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

（2）底板板跨中彎矩MB呈下降趨勢，但下降幅度逐步降低。跨中彎矩下降幅度由4.7%下降到2.7%；底板跨邊彎矩MA呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低?？邕厪澗厣仙扔?.5%下降到4.2%。

（3）側(cè)墻板跨中彎矩Md呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低。跨中彎矩上升幅度由9.1%下降到4.8%；側(cè)墻跨邊彎矩Mc呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低。跨邊彎矩上升幅度由10.7%下降到4.4%。

3.2 設(shè)置腋角下調(diào)整側(cè)墻厚度參數(shù)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響

頂板厚度為1.2m，底板厚度為1.2m，頂板腋角為0.3m高×0.9m寬，底板腋角為0.5m高×0.5m寬。側(cè)墻厚度仍從1.1m按0.1m增長至1.5m時，頂、底板、側(cè)墻彎矩變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 設(shè)置腋角側(cè)墻厚度遞增下的結(jié)構(gòu)彎矩變化（圖中彎矩采用絕對值）

（1）頂板跨中彎矩Mb1呈下降趨勢，但下降幅度逐步降低?？缰袕澗叵陆捣扔?.4%下降到4.2%；頂板跨邊彎矩Ma1呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低?？邕厪澗厣仙扔?.3%下降到1.1%。

（2）底板板跨中彎矩MB1呈下降趨勢，但下降幅度逐步降低?？缰袕澗叵陆捣扔?.9%下降到2.6%；底板跨邊彎矩MA1呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低?？邕厪澗厣仙扔?.0%下降到1.8%。

（3）側(cè)墻板跨中彎矩Md1呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低?？缰袕澗厣仙扔?.4%下降到4.1%；側(cè)墻跨邊彎矩Mc1呈上升趨勢，但上升幅度逐步降低?？邕厪澗厣仙扔?.9%下降到4.2%。

3.3 同一板厚參數(shù)下設(shè)置腋角對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響

通過對比同一側(cè)墻厚度下的內(nèi)力情況，頂、底板設(shè)置腋角時，頂、底板跨中彎矩相對降低，頂、底板跨邊彎矩相對增加。

3.4 設(shè)計參數(shù)優(yōu)化確定

基于上述分析可知，在結(jié)構(gòu)跨度、荷載等不變的情況下：

（1）頂?shù)装迮c側(cè)墻相交處增加腋角設(shè)置，有利于提高側(cè)墻對底板與頂板的約束剛度，從而使得頂板、底板跨中彎矩降低，但頂、底板跨邊彎矩增大，側(cè)墻彎矩也增大。

（2）增加側(cè)墻厚度可降低頂、底板跨中彎矩，但頂、底板跨邊彎矩增加，側(cè)墻彎矩也增大[2]。

（3）隨著側(cè)墻厚度增加，對頂、底板跨中彎矩降低的作用不斷弱化，當側(cè)墻增加到1.2m和1.3m厚時，頂、底板跨中彎矩與跨邊彎矩數(shù)據(jù)較接近，此時結(jié)構(gòu)各部分承擔的內(nèi)力較為均衡。因此該工程單箱結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚取1.3m、頂?shù)装搴袢?.2m，設(shè)置頂板腋角為0.3m×0.9m，底板腋角為0.5m×0.5m時相對合理，結(jié)構(gòu)主體造價相對經(jīng)濟。

4 結(jié)束語

綜上所述，文章依托江蘇某市政道路下地庫連接通道工程，通過建立三維空間Midas civil有限元模型進行數(shù)值分析得出：大跨度單箱地道結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)跨度、荷載等不變的情況下，增加側(cè)墻厚度、設(shè)置腋角均可以有效降低頂、底板跨中彎矩，但側(cè)墻厚度增加與設(shè)置腋角并不能無限降低頂、底板跨中彎矩，且隨著側(cè)墻厚度增大，也會造成頂、底板邊跨彎矩增加；當側(cè)墻厚度達到某一限值時，整個單箱結(jié)構(gòu)剛度分配會相對均衡，此時頂板、底板、側(cè)墻各自跨中與跨邊的彎矩大小相對接近，從而使得結(jié)構(gòu)材料性能充分發(fā)揮。因此，建議在大跨度單箱結(jié)構(gòu)設(shè)計時，合理調(diào)整側(cè)墻設(shè)計厚度，輔以設(shè)置腋角（增加邊跨處截面尺寸），以達到箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)力合理分布的平衡點，不僅可降低工程造價，也能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠性。