淺談雙孔箱涵在城市內河整治工程中的應用

陳宇明

(湖南省湘鄉市水利局 湖南 湘鄉 411400)

雙孔箱涵是一種受力特性良好，能適應各種不同的地質條件的超靜定結構，其屬于箱形框架。在歐家港（湘鄉城區的一條城市內河）雙孔箱涵的設計過程中,可以在不同荷載工況下變化單一設計因素，進行箱涵結構的試算和深入比較分析，從而得出影響箱涵結構的敏感因素，總結出鋼筋混凝土箱涵設計中應注意的一些問題。

1 工程概況

歐家港是湘鄉城區的一條內河，為湘江漣水一級支流，發源于湘鄉鋁廠附近的白坨村，流經城區新湘路、望春門兩個辦事處及東郊、龍洞兩個鄉鎮，在歐家港注入漣水河。干流總長7.05km，干流坡降為1.894‰，全流域面積為10.874 km2。入河口處建有歐家港排漬站，裝機二臺2×130kW電機水泵，排抽流量為2×1.25m3/s，配電變壓器為320kVA一臺。根據《湘鄉市歐家港整治工程可行性研究報告》（2003年編）的規劃可知，在樁號6+527處河道底板高程為40.59 m。通過分段計算機編程計算可知，河段會形成雍水影響至5+394～5+748之間（此段樁號以上可按明渠均勻流進行水力計算），并可求出6+527處水位為46.04 m，具體設計的雙孔箱涵截面凈空4.85m（寬）×5.5 m（高）×2（孔），箱涵頂覆土深度0.7m，涵頂路面設計荷載為汽—20級（雙車行駛）。最高地下水位為地面以下1m，最低地下水位在箱涵底板以下。箱涵底板持力層為粉質粘土，地基承載力特征值為。試算中，擬定箱涵截面厚度取400mm。

在湖南的氣候資料中，并沒有歐家港實測水文、氣象等相關資料，歐家港雙孔箱涵的設計中也沒有采用城市降雨徑流模型——修正RRL法或改進模型進行模擬計算，因這種模型通常適合于管網密度大、面積較小的城市流域的下水道和雨水管的規劃、設計及徑流污染管理。本次歐家港的洪水設計采用湖南省水利廳編制的《湖南省暴雨洪水查算手冊》等相關手冊作為依據進行查算。洪水標準依據《防洪標準》（GB50201-94）及《城市防洪工程設計規范》（CJJ50-92）規定，通過計算，確定本工程為Ⅳ等，對工程設計洪水標準按十年一遇最大24小時暴雨洪峰流量標準，即設計的重現期為10年（設計頻率P=10%）。通過分析計算可知歐家港箱涵的流水量為45.8m3/s。

表1 各種荷載組合及最不利內力下的內力結果

表2 歐家港6+527~6+640雙孔箱涵配筋計算成果表

2 箱涵內力分析計算

在歐家港雙孔箱涵的設計中，由于箱涵施工和使用階段的受力特征比較復雜，因此對箱涵影響最大的三種荷載組合的內力進行計算是非常有必要的，通過計算分析可以得到箱涵各控制截面的最不利內力，并將此作為箱涵截面設計的重要依據。歐家港雙孔箱涵凈跨徑L0=2×4.85m，凈高H0=5.5m，采用上埋式構筑，頂部填土高度H=0.7m，上為0.5m砼路面，兩端回填土按砂性土考慮，容量γ=18kn/m3，浮容量 γ′=9.8kg/m3，內磨擦角φ=30°，C=0。箱涵主體結構砼強度等級為C25，箱涵基礎墊層采用C10砼，受力鋼筋采用HRB335鋼筋，地基為粉質粘土，涵頂路面設計荷載為汽—20級（雙車行駛），歐家港雙孔箱涵可以按三級建筑物基本組合設計。

2.1 荷載組合一

這種組合主要考慮的是箱涵的兩個箱孔都有水的情況，其具體的受力圖示如圖1所示。圖中PS為箱涵上部的垂直土荷載，Pg為箱涵頂板自重；Pc為車輛荷載；Pd為地面堆積荷載，在Pd、Pc中取用較大值，gc為管道側墻自重；Pf為作用于底板的豎向荷載，qs為水平土壓力，qw為最高地下水位時的水平荷載，qd為地面堆積荷載Pd產生的水平荷載，當Pd＝0時，qd＝0，qc為車輛荷載產生的水平荷載，qd、qc中只取用較大值，為受力的距離長度。其中：

可以看出箱底承受的壓力與上表面的荷載pg、pc、ps有關，這是計算箱底敏感系統的基本數據之一，也是配筋的基本依據，利用這個公式能夠方便的計算出箱涵的荷載。

2.2 荷載組合二

這種組合主要考慮的是箱涵的一孔有水，一孔沒有水的情況，這樣箱涵的側壁受力不一致就會造成箱涵的受力不同。其具體受力情況如圖2所示。

圖中的pt為計算內壓力，當沒有內壓力時，pt=0；q′

w為水的靜水壓力，也是對箱涵的側壁產生壓力，qw為最低地下水位時的水平荷載，其余符號意義同上。從公式中能夠很明顯的看出，箱涵底部pf的受力情況，主要由箱涵的自重和上部的土壓力造成的。

2.3 荷載組合三

這種組合是針對當箱涵兩孔均沒有水壓力存在時的受力作用分析，具體受力情況如圖3所示。

這時箱涵底部的受力情況為：

此時計算箱涵底部的壓力也就是最理想的受力情況，主要考慮的箱涵的自重對箱涵荷載的影響。

2.4 箱涵截面的內力分析

對于歐家港雙孔箱涵的內力分析，主要參查結構靜力計算手冊中□形的鋼架相關內力參數進行計算、疊加，從而得出各荷載組合下的內力計算結果，分析得到最不利內力值，作為箱涵截面設計的依據。歐家港的箱涵為無壓管，只計算第一、二種荷載組合下的內力，標準荷載作用下內力值如表1所示。

(1)頂板、底板按受彎構件計算，當涵內有壓時，還需按第三種荷載組合驗算偏心受拉情況，結構重要性系數v0=0.09。

(2)側墻按偏心受壓構件計算，當涵內有壓時，還需按第三種荷載組合驗算偏心受拉情況，結構重要性系數v0=0.09。

2.5 裂縫計算

依據上面分析的箱涵受力的三種情況，在歐家港雙孔箱涵的設計中，當計算截面的受力狀態處于受彎、大偏心受壓或受拉時，在標準荷載作用下，控制截面最大裂縫寬度Wmax≤0.02mm；當計算截面的受力狀態處于軸心受拉或小偏心受拉時，截面設計應按在標準荷載作用下不允許出現裂縫控制，要能夠全面的控制箱涵承受的壓力，保證箱涵的安全性。

2.6 抗浮穩定性驗算

在歐家港雙孔箱涵的設計中，考慮到若發生大洪水災害等因素，因此必須對箱涵進行抗浮穩定性驗算：(1)箱涵截面積較大；(2)箱涵的上層覆土比較淺；(3)地下水位較高。通過對箱涵的水位壓力、浮力、抗浮配重、安全系數等數據進行合理的分析計算，得出能夠滿足設計的要求的箱涵抗浮驗算結果，從而減少甚至避免對施工設計的影響。

3 影響雙孔箱涵受力的主要因素分析

通過對箱涵受力的三種情況的多次試算及分析，從而得出對箱涵的內力影響較為明顯的因素，這些因素是本次歐家港雙孔箱涵的設計中重點考慮關注的問題。

（1）跨高比。在箱涵過水斷面不變的情況下，選擇合適的高跨比，有利于結構的優化，能夠減少箱涵的受力情況。

（2）水位。水位也是影響雙孔橋涵的主要因素之一，比較不同水位下，箱涵的抗浮穩定系數，求出箱涵的安全系數。

4 配筋計算

在歐家港雙孔箱涵的設計中，通過對箱涵的結構進行分析，以及運用簡單的計算機正截面配筋程序計算，從而得出雙孔箱涵各桿件配筋的計算結果。由于雙孔箱涵為對稱結構，因此只給出了一孔（左孔）數值，具體如表2所示。

根據以上歐家港雙孔箱涵各桿件配筋的計算結果，可知其截面尺寸滿足要求。該鋼筋的布置既充分利用了抵抗彎矩圖又遵循合理、安全、經濟、方便施工的原則。通過計算，歐家港6+527—6+640段雙孔箱涵1m長，鋼筋砼方量為14.85m3，鋼筋實配重量為1.38t，配筋量為93kg/m3，配筋量在正常值范圍內，配筋簡明、合理、經濟。

5 結語

湘鄉市近幾年在城市內河整治工程中運用雙孔箱涵，從目前的運行狀況來看，是較為成功的，未出現任何問題，經受了洪水的考驗，滿足了城市排水、交通、環境、防洪的要求。陜西水利

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