關于重載下石拱涵的結構穩定性探討

吳貴艷　陳芳平

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

關于重載下石拱涵的結構穩定性探討

吳貴艷陳芳平

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要以貴州習水二郎電廠的大型發電機運輸前期勘察和預估為背景依托，對該項目中習水至草蓮壩路段上的某一典型尺寸的石拱涵在重載條件下的結構穩定性進行針對性的分析探討，在理論研究的基礎上，利用計算機編程軟件VB對石拱涵的結構穩定性驗算進行編程，得到一個在重載作用下石拱涵結構驗算的應用程序。通過此程序的驗算可以對大件運輸條件下石拱涵的結構穩定性進行安全性評價，為大件運輸條件下道路的安全通過性評價系統提供重要的參考依據。

關鍵詞大件運輸石拱涵結構穩定性應用程序

大件運輸[1]自身含有2層含義，一方面是指超限[2]，即物件輪廓尺寸超過常規車輛的界限標準；另一方面是指超重，即大件運輸車輛的總重量對道路、橋梁的承載力遠遠大于設計荷載的貨物的公路運輸[3]。在我國現有的道路條件下，對大件運輸來說亟須解決的問題就是，在保證安全可靠的條件下，如何及時、合理地將重大件物品運送到目的地。

本文項目中該大件運輸的主要設備是火電廠的發電核心部分的發電機定子和轉子，其中定子分塊組裝，對精度要求較低；但是轉子重達370t，轉軸直徑為3m，長度達15m，并且該軸屬于精密零件，要求高精度，因此運輸過程中對防變形的要求標準很高。所以該運輸線路上石拱涵結構的穩定性直接關系到整個運輸任務的完成質量。本項目所用大件運輸車輛是奔馳ACTORS平板車，總重量為390t，車長20m，寬5.4m，全車共13軸，載重部分為單軸8個輪胎。

本次大件運輸的安全通過性研究，首先對該道路運輸通道和橋梁涵洞的承載能力、道路的凈空高度、路基承載力、邊坡穩定性、通過寬度、平豎曲線半徑及沿途的交通流量、地理情況、氣候條件等進行周密的調查研究，計算出所能通過的運載車輛的總重、軸載，以及尺寸等技術參數，再結合超限車輛的運營記錄和實地勘察分析，以此來定出道路、橋梁，以及涵洞等的通行能力[4]。本文是在此基礎上參考相關橋涵及圬工規范[5]中已有的計算方法，對大件重載下石拱涵的結構穩定性進行驗算，從中延伸出對山區公路重載交通情況下涵洞穩定性的系統分析[6]。

1大件運輸車輛的重載分析

依據《公路工程技術標準》(JTGB01-2003)與《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)的規定，汽車荷載根據公路等級的不同劃分為公路-I級與公路-II級2個等級。本文項目中公路等級為二級，但由于大件貨物運輸的特殊性，將橋涵設計荷載按公路-I級荷載進行計算。汽車荷載有車道荷載、車輛荷載2種，本文采用的是車輛荷載，在公路-I級荷載條件下車輛荷載重要技術指標見表1。

表1　車輛荷載主要技術指標

荷載有2種車輛荷載的換算方式：車輛荷載可以等效為當量土柱厚度;車輛荷載可以等效為均布荷載分布。

(1) 方式一。車輛荷載等效為當量土柱厚度。當量土柱法就是將車輛荷載換算成與路基填料容重相當的土層厚度，然后平鋪在車輛荷載作用的范圍內。公式如下。

(1)

(2) 方式二。車輛荷載等效為均布荷載分布。公式如下。

(2)

式中：h0為荷載當量土柱厚度，m；q為均布荷載，kPa；N為橫向分布的車輛數；Q為每輛車的總重，kN；L為前后軸距加輪胎著地長度，m；γ為土的重力密度，kN/m3；B為橫行分布車輛輪胎外緣之間的距離，m。

(3)

式中：b為每輛車輪胎外緣之間的距離，m；d為相鄰的2輛車輛之間的凈距，m。

大件運輸車輛一般為多輪多軸車輛，多輪組可降低單個輪胎的路面壓力荷載。在重載車輛荷載換算時，由于重載車輛的特殊性，相同情況下輪胎數要比普通車輛多得多，輪胎與路面的接觸面積也大得多，因此考慮將車輛荷載平均布置在汽車輪胎的邊緣線面積內，將重載進行換算。由于大件車輛的外觀尺寸較大，在運輸過程中按國家相關政策的規定需要對運輸道路進行封路，也就是該大件運輸車單獨行駛在該二級公路上，所以橫向分布的車輛數N=1。按照《公路工程技術標準》(JTGB01-2003)的要求，依據式(3)可以算出B值。其他相關的車輛總重及前后軸距加輪胎著地長度均按照《公路工程技術標準》(JTGB01-2003)中公路一級的標準取值，每輛車重約為3 900kN，所有輪軸總著地長度為20m。將已知參數帶入式(2)即可換算出車輛荷載。

2重載下石拱涵的結構穩定性計算

本文主要針對石拱涵拱圈結構穩定性驗算進行研究(拱圈受力圖見圖1)。拱圈視為偏心受壓構件，對拱涵拱圈而言，可僅驗算拱頂和拱腳截面。在截面強度及穩定驗算中各參數及容許值的選取依據《公路磚石及混凝土橋涵設計規范》(JTJ022-85)中的有關規定進行。

圖1拱圈受力圖式

(1) 正截面強度驗算

(4)

當e0超過《公路磚石及混凝土橋涵設計規范》(JTJ022-85)中規定的容許偏心距的要求時，可按照下式重新來確定截面尺寸。

(5)

(2) 縱向穩定性驗算(當M=0時，則應按中心受壓構件進行縱向穩定驗算)

(6)

3石拱涵結構穩定性的應用程序開發

在整理石拱涵結構穩定性理論研究的基礎上，利用計算機工具VB編制出1套關于大件運輸條件下石拱涵結構穩定性的計算程序[7]。并以習貴州水二郎電廠新建項目中某座石拱涵及該項目中發電機大件運輸為應用實例，調試運行程序計算該石拱涵在大荷載作用下的承載力，并判斷該石拱涵的結構穩定性能否達到該大件運輸的要求，從而證實該程序的可靠性。

本程序在石拱涵結構穩定性分析過程中首先應該確定石拱涵驗算的變量參數和常量參數。變量參數有：拱頂填土高度H(m)，拱圈厚度h(m)，涵洞凈跨徑l0(m)，涵洞凈矢高h0(m)，大件車輛重量P(kN)。常量參數有：土的重力密度；拱背填料容重γ1(kN/m3)；拱圈容重γ2(kN/m3)；臺身容重γ3(kN/m3)；基礎容重γ4(kN/m3)；土的內摩擦角θ0(°)等。

4石拱涵結構穩定性的實例驗算分析

本程序的大概思路是：在程序窗體中，通過輸入道路與石拱涵的相關參數后(結構尺寸見圖2)，經過基本理論及其整理分析后的公式編程計算，得到石拱涵的受力荷載，最終輸出拱圈截面強度與穩定性驗算、涵臺墻底截面強度與穩定性驗算、臺口截面抗剪強度驗算、基底應力驗算以及地基基礎的抗傾覆和抗滑動穩定性驗算判斷結果(程序涵洞驗算參數輸入界面見圖3)。從而得到大件運輸條件下石拱涵的結構穩定性的安全性評估分析。

圖2拱涵結構尺寸(單位：cm)

圖3　程序涵洞驗算參數輸入

由程序驗算結果看出，當拱頂填土高度2m、跨徑2m、凈高3m條件下的石拱涵，3 900kN重車在其上通行時，其拱圈的拱頂截面與拱腳截面在3種組合情況下的縱向力的偏心距均大于規范中容許偏心距的要求，在此條件下3種組合的強度驗算和穩定驗算均不滿足大件運輸要求，說明拱圈是不穩定的。但墻底截面的強度驗算與穩定性驗算卻能夠滿足大件運輸的要求。涵臺的臺口截面抗剪強度驗算滿足要求，地基基底合力偏心、地基承載力及基礎穩定性也均滿足大件運輸要求，這說明涵臺及基礎是穩定的。

本路段中的石拱涵共3個，跨徑均較大(不小于2m)，且石拱圈容易風化、石料參數不容易準確確定，把3個石拱涵的參數分別輸入程序中驗算，結果均評估為不滿足大件運輸的要求，故需要采取相應的措施以保證大件運輸的順利進行。考慮到涵洞改造費工費時，且要阻斷交通，所以建議對上述評估為“不滿足”的3個石拱涵，在大件運輸時采用組合鋼板搭建臨時“橋上橋”構造，在滿足坡度等各方面要求的情況下幫助大件運輸車輛順利通過。

5結論

(1) 通過對程序的建立、變量定義、代碼設計和編譯，鏈接，運行調試，生成可執行目標程序。最終得到大件運輸條件下石拱涵結構穩定性的驗算程序，從而有利于石拱涵結構穩定性驗算能夠更加快捷方便地進行。

(2) 依托工程實例，得出在大件運輸條件下該石拱涵的結構穩定性判定結果，同時也利用編寫的程序對同一條件下的石拱涵結構穩定性進行了運行分析，再通過對比分析手工驗算和程序驗算的結果，確定了程序編制的準確性。

(3) 本課題研究的模擬理論性較強，均為數據分析，數學建模，缺乏實踐性。研究應拓展到實際中，真正用實車及實路來檢驗理論分析的正確性。如果在大件運輸道路的安全通過性評估系統中，能將石拱涵的結構驗算程序完善并運用于其中，將會為大件運輸的發展提供相當大的便利和幫助。

參考文獻

[1]傅鳴亮.芻議超限公路大件運輸的通過性[J].上海公路,1999 (11)：172-174.

[2]王振清.公路超限運輸概論[M].北京：人民交通出版社,1997.

[3]路亞妮.大件公路運輸研究綜述[J].孝感學院學報,2008，28(3)：111-113.

[4]吳麗麗.重大件公路運輸若干問題的研究[D].哈爾濱：東北林業大學,2007.

[5]顧克明.公路橋涵設計手冊:涵洞[M].北京：人民交通出版社,1993.

[6]楊濤.公路大件運輸安全技術評價制度研究[D].西安：長安大學，2010.

[7]鮑衛剛.大件運輸車輛過橋能力檢算分析軟件編制[J].公路,2003(9):106-109.

收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.035