公路蓋板暗涵計(jì)算參數(shù)及簡(jiǎn)化模型探討

于永正

(遼寧省公路勘測(cè)設(shè)計(jì)公司 沈陽(yáng)市 100166)

蓋板暗涵是公路設(shè)計(jì)中最常見的構(gòu)造物形式，由于其結(jié)構(gòu)受力形式相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)往往不重視，在工程實(shí)踐中仍存在計(jì)算參數(shù)取用不合理的情況，導(dǎo)致蓋板涵的結(jié)構(gòu)安全性降低，影響了蓋板涵的正常使用。為保證工程設(shè)計(jì)質(zhì)量，擬對(duì)蓋板暗涵計(jì)算參數(shù)的取用進(jìn)行探討,以一孔4×4m蓋板涵為例，對(duì)采用不同的計(jì)算參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 蓋板涵上部結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)分析

1.1 不均勻沉降系數(shù)K對(duì)填土豎向壓力計(jì)算的影響

目前在進(jìn)行填土豎向壓力計(jì)算中，主要有等沉面法、卸荷拱法和土柱法三種計(jì)算方法，從三種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果看，等沉面法計(jì)算時(shí)考慮涵洞兩側(cè)土體沉降對(duì)豎向力的影響，故豎向力的計(jì)算結(jié)果最大；卸荷拱法計(jì)算的豎向力最小，由于卸荷拱法計(jì)算理論的形成條件一般不宜滿足，故大多數(shù)情況下很少采用該計(jì)算方法；土柱法計(jì)算比較簡(jiǎn)單，是目前公路部門涵洞設(shè)計(jì)中普遍采用的方法，但要求涵洞兩側(cè)填土必要壓實(shí)。填土的重力對(duì)涵洞的豎向力計(jì)算公式主要有以下兩種計(jì)算公式：

qv=γh 《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(土柱法)

qv=Kγh 《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》(等沉面法)

式中：γ—土的重力密度；

h—計(jì)算截面至路面頂?shù)母叨龋?/p>

K—臺(tái)后不均勻沉降影響系數(shù)，久經(jīng)壓實(shí)的路基取1.0。

表1 不均勻沉降影響系數(shù)K

表2 不均勻沉降系數(shù)對(duì)填土豎向壓力計(jì)算結(jié)果的影響對(duì)比

從以上計(jì)算結(jié)果看，考慮不均勻沉降系數(shù)對(duì)蓋板涵的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果影響還是比較大的。在工程設(shè)計(jì)中，為防止臺(tái)后跳車現(xiàn)象以及保證臺(tái)后填土的壓實(shí)度，基本會(huì)對(duì)臺(tái)后進(jìn)行過渡段設(shè)計(jì)并采用填筑透水性材料的方法對(duì)臺(tái)后進(jìn)行處理。故在對(duì)涵洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，一般情況下采用土柱法進(jìn)行計(jì)算，忽略涵洞兩側(cè)填土下沉產(chǎn)生的附加壓力是比較合理的。但對(duì)于地質(zhì)條件相對(duì)較差的新建道路，為保證涵洞地基承載力，往往會(huì)對(duì)涵洞位置進(jìn)行地基處理，而涵洞兩側(cè)地基未進(jìn)行相應(yīng)處理時(shí)，則應(yīng)采用等沉面法進(jìn)行計(jì)算，考慮不均勻沉降系數(shù)K的影響。

1.2 橫向車道布載系數(shù)對(duì)車輛荷載垂直壓力計(jì)算的影響

在進(jìn)行涵洞內(nèi)力計(jì)算時(shí)，主要采用車輛荷載進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)最新《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)布置一條車道汽車荷載時(shí)，應(yīng)考慮汽車荷載的提高。目前，采用車輛荷載進(jìn)行涵洞內(nèi)力分析時(shí)是否需要考慮橫向車道布載系數(shù)，仍存在一定的爭(zhēng)議。筆者認(rèn)為，新規(guī)范中關(guān)于橫向車道布載的描述是“汽車荷載”，而汽車荷載是由車道荷載和車輛荷載組成的；同時(shí)新規(guī)范中對(duì)車道荷載的集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值以及車輛荷載的分項(xiàng)系數(shù)均進(jìn)行了提高，如果對(duì)于橫向車道布載系數(shù)僅在車道荷載時(shí)考慮而在車輛荷載計(jì)算分析時(shí)不考慮是不合理的。故在計(jì)算車輛荷載引起的垂直壓力計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮橫向車道布載系數(shù)的影響，結(jié)合車道數(shù)，分別對(duì)單車和雙車作用的車輛荷載分別進(jìn)行計(jì)算，取二者的較大值。表3為考慮橫向布載系數(shù)時(shí)采用單車和雙車作用時(shí)車輛荷載引起的垂直壓力計(jì)算對(duì)比結(jié)果。

表3 橫向車道布載系數(shù)對(duì)車輛荷載計(jì)算結(jié)果的影響對(duì)比

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)考慮橫向車道布載系數(shù)時(shí)對(duì)車輛荷載引起的垂直壓力計(jì)算結(jié)果影響較大，特別是在涵頂填土高度相對(duì)較小時(shí)，其垂直壓力增幅較大。為保證公路涵洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，建議在進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮橫向車道布載系數(shù)的影響。

2 蓋板涵下部結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)分析

2.1 車輛荷載等代土層厚度對(duì)臺(tái)身計(jì)算的影響

根據(jù)《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.4條規(guī)定。汽車荷載在橋臺(tái)或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力，可按以下公式計(jì)算：

h=∑G/Bl0γ 《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》

式中：γ—土的重力密度；

h—等待土層厚度；

∑G—布置在B×l0面積內(nèi)的車輪的總重力；

l0—橋臺(tái)或擋墻后填土的破壞棱體長(zhǎng)度；

B—橋臺(tái)橫向全寬或擋土墻的計(jì)算長(zhǎng)度。

在以往的設(shè)計(jì)中，筆者發(fā)現(xiàn)在計(jì)算蓋板涵臺(tái)后等待土層厚度h時(shí)，關(guān)于計(jì)算寬度B的取值存在一定的爭(zhēng)議，一類設(shè)計(jì)者認(rèn)為汽車荷載等代土層計(jì)算時(shí)應(yīng)按路面寬度進(jìn)行取值，但大多設(shè)計(jì)者認(rèn)為涵洞為暗結(jié)構(gòu)，汽車荷載是通過土體擴(kuò)散至涵臺(tái)位置的，所以應(yīng)等同于涵洞計(jì)算涵洞頂部汽車荷載壓力的計(jì)算方法，其寬度B應(yīng)為車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布，擴(kuò)散面積以最外側(cè)擴(kuò)散線為準(zhǔn)。筆者認(rèn)為采用車輪著地?cái)U(kuò)散面積更接近實(shí)際受力情況，可以被大多設(shè)計(jì)者接受。但在計(jì)算分布寬度時(shí)，應(yīng)考慮橫向布載系數(shù)對(duì)等代土層厚度計(jì)算的影響。表4是以4m蓋板涵為例，對(duì)應(yīng)不同填土高度計(jì)算汽車荷載引起的等代土層厚度對(duì)比結(jié)果。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)考慮橫向車道布載系數(shù)影響時(shí)，采用雙車道計(jì)算的等代土層厚度最大，一般情況下采用雙車道計(jì)算基本滿足設(shè)計(jì)要求，但對(duì)于單車道的四級(jí)公路，采用雙車道進(jìn)行計(jì)算就會(huì)造成材料浪費(fèi)，故在進(jìn)行蓋板涵計(jì)算時(shí)，對(duì)于車道布載系數(shù)的影響應(yīng)進(jìn)行充分的考慮。

2.2 計(jì)算簡(jiǎn)化模型對(duì)臺(tái)身計(jì)算的影響

目前公路行業(yè)對(duì)蓋板涵臺(tái)身計(jì)算的簡(jiǎn)化模型主要有兩種，一種是上端簡(jiǎn)支、下端固接模型，臺(tái)身按上端與蓋板不可移動(dòng)的鉸接、下端與基礎(chǔ)固接計(jì)算。另一種是上、下端簡(jiǎn)支模型，臺(tái)身計(jì)算按上端與蓋板不可移動(dòng)的鉸接、下端與支撐梁不可移動(dòng)的鉸接計(jì)算。兩種力學(xué)簡(jiǎn)化模型的荷載效應(yīng)是不同的，所以計(jì)算結(jié)果偏差較大。為分析兩種計(jì)算模型的合理性，筆者分別對(duì)兩種簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了對(duì)比分析計(jì)算。

(1)采用上、下端簡(jiǎn)支計(jì)算模型，見圖1，其最大彎矩位于x0處，其計(jì)算公式如下：

μ=q1/q2

ν=(μ2+μ+1)0.5/3

x=(ν-μ)/(1-μ)×h

Mx=q2×h2/6×(2ν3-μ(1+μ))/(1-μ)2

(2)采用上端簡(jiǎn)支、下端固接模型，見圖2，其最大彎矩為Mx0處和MA處的最大值，其計(jì)算公式如下：

μ=q1/q2

ν=((9μ2+7μ+4)/20)0.5

x=(ν-μ)/(1-μ)×h

Mx=q2×h2/6×(2ν3-μ(1+μ))/(1-μ)2

MA=-h2/120×(7q1+8q2)

以C30混凝土臺(tái)身計(jì)算為例。涵洞凈高取用4.0m，凈寬4.0m，上部蓋板支撐寬度取0.3m，采用不同計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果如下：

從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)采用上端簡(jiǎn)支、下端固接模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，臺(tái)身尺寸的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較大。目前對(duì)于采用何種簡(jiǎn)化模型對(duì)涵洞臺(tái)身進(jìn)行計(jì)算也存在一定的爭(zhēng)議。筆者認(rèn)為，計(jì)算簡(jiǎn)化模型的采用應(yīng)結(jié)合涵洞的基礎(chǔ)形式以及涵洞凈高的因素綜合確定。當(dāng)涵洞采用分離式基礎(chǔ)時(shí)，如果涵洞的凈高遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)厚度，涵臺(tái)身主要受上部梁板和支撐梁的支撐作用，涵洞基礎(chǔ)的固接作用已經(jīng)不明顯，此時(shí)應(yīng)采用上、下端簡(jiǎn)支模型進(jìn)行臺(tái)身結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。當(dāng)涵洞采用整體式基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)與涵臺(tái)身的固接作用較為明顯，此時(shí)涵臺(tái)身計(jì)算時(shí)推薦采用一端簡(jiǎn)支、一端固接的簡(jiǎn)化模型。

涵洞臺(tái)身計(jì)算的簡(jiǎn)化模型應(yīng)結(jié)合涵洞基礎(chǔ)對(duì)臺(tái)身固接作用的貢獻(xiàn)綜合確定，在保證涵臺(tái)身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，盡量較少臺(tái)身尺寸，避免不必要的工程浪費(fèi)。

3 小結(jié)

蓋板涵作為公路主要的排水構(gòu)造物形式，加強(qiáng)公路蓋板涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用合理的計(jì)算參數(shù)和計(jì)算模型對(duì)提高蓋板涵結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。結(jié)合最新的公路行業(yè)規(guī)范，對(duì)涵洞計(jì)算影響較大的參數(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比，希望可以對(duì)提高公路構(gòu)造物結(jié)構(gòu)承載能力、保障公路行車安全提供參考。