斜交箱涵端部結構計算與分析

宮 志, 朱自萍

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

箱涵是涵洞或通道的一種常見的形式，廣泛應用于公路、市政和水利等工程中，由于整體性好，對不均勻沉降適應性強，故主要適用于軟土地基。新建道路與現狀溝渠或通道經常處于斜交狀態，一般涵洞端部設置斜涵節，而洞口常設置一字翼墻。在工程建設與運營過程中，由于設計、施工及養護問題，一字墻常出現開裂、破損等情況，端部斜涵節出現整體滑移及扭轉等病害。本文首先介紹箱涵一字翼墻的土壓力分層法計算分析理論，然后針對端部斜涵節的敏感參數進行抗滑移和抗扭轉分析。

1 一字翼墻計算分析

1.1 一字墻受力模型

為了追求外形美觀及適用水流條件，涵洞端部及一字翼墻常與路線平行，此種做法稱為斜交斜做，目前箱涵、蓋板涵普遍采用這種做法，如圖1所示。

圖1

此時作用在一字翼墻上的荷載有翼墻自重及墻后主動土壓力ea。

ea=Kaγh

式中：Ka為主動土壓力系數；γ為墻后土重度；h為墻后填土高度。

根據《公路涵洞設計細則》(JTG/T D65-04-2007)，箱涵一字翼墻結構按照擋土墻結構驗算其強度和應力。可假定一字翼墻按照一端固定、三端自由的懸臂板來簡化計算，如圖2所示。

圖2

1.2 土壓力分層法計算分析

一字翼墻與洞身連成整體，此時墻后作用主動土壓力荷載，其中水平方向為主受力方向，水平鋼筋為主筋，按計算配筋，豎向鋼筋按構造配筋。

土壓力分層法計算分析步驟如下：

(1) 計算一字翼墻后土壓力強度。

(2) 墻后填土高度方向按照固定厚度分層，將土壓力強度轉化為線荷載，懸臂板轉化為若干個懸臂梁。

(3) 計算每一根懸臂梁根部最大彎矩。

(4) 確定所有懸臂梁的最不利彎矩。

(5) 按照最不利荷載計算配筋。

1.3 一字翼墻計算結果分析

某工程一箱涵凈寬6 m，凈高4 m，覆土高度5 m，路基邊坡1∶1.5，不考慮地下水的影響及墻前錐坡填土對一字翼墻的有利作用。一字翼墻長度(單側)為6.65 m，厚度500 mm，高度為4.88 m。采用土壓力分層法分析，墻后填土按照1 m厚度分層，轉化為線荷載后作用在懸臂梁上，計算結果見表1。

表1 一字翼墻分層法計算結果

從表1可以看出，在一字翼墻高度方向上，從上到下懸臂梁長度逐漸減少，線荷載逐漸增大，而根部最大彎矩值先增大再減少，最不利彎矩為228.2 kN·m，出現在翼墻中間位置。這是因為根部彎矩大小與線荷載(土壓力)和懸臂梁有關。上部土壓力小、懸臂梁長，下部土壓力大、懸臂梁短，這樣根部彎矩必然在中間某處達到最大值。

取覆土高度5 m，墻后填土按照1 m厚度分層，采用土壓力分層法計算一字翼墻在不同高度下的受力情況，計算結果見表2。

表2 不同高度下一字翼墻分層法計算結果

從表2可以看出，隨著一字翼墻高度的增加，其墻身最不利彎矩值也是逐漸增加的。這說明隨著翼墻高度越大，其水平受力越大，受力鋼筋面積也相應增加。

2 端部斜涵節敏感性參數分析

可把箱涵端部涵節的受力作為整體來分析，斜交端部涵節一字翼墻和涵身受到的主動土壓力不同，斜交角越大，斜涵節兩側土壓力差異就越大，容易造成端涵節的整體滑移和扭轉，如圖3所示。

圖3

下面分別對端部斜涵節的敏感參數進行抗滑移和抗扭轉分析。

2.1 端部涵長分析

取箱涵凈寬6 m，凈高4 m，斜交角45°，填土高度5 m，進行不同端部涵長條件下整體抗滑移和抗扭轉分析，結果見表3。

表3 不同端部涵長時，抗滑移和抗扭轉對比分析

從表3可以看出，隨著端部涵長的增加，抗滑移和抗扭轉的安全系數逐漸增大，端涵節出現整體滑移和扭轉的趨勢越小。建議盡量增加端部涵長。

2.2 斜交角分析

取箱涵凈寬6 m，凈高4 m，端部涵長6.5 m，填土高度5 m，進行不同斜交角下整體抗滑移和抗扭轉分析，結果見表4。

表4 不同斜交角時，抗滑移和抗扭轉對比分析

從表4可以看出，隨著斜交角的增大，抗滑移和抗扭轉的安全系數逐漸降低，端涵節出現整體滑移和扭轉的趨勢越大。建議盡量采用小角度斜交。

2.3 箱涵凈高分析

取箱涵凈寬6 m，端部涵長6.5 m，斜交角45°，填土高度5 m，進行不同箱涵凈高下整體抗滑移和抗扭轉分析，結果見表5。

表5 不同箱涵凈高時，抗滑移和抗扭轉對比分析

從表5可以看出，隨著箱涵凈高的增大，抗滑移和抗扭轉的安全系數逐漸降低，端涵節出現整體滑移和扭轉的趨勢越大。建議凈高較大的箱涵盡量采用正交。

2.4 覆土高度分析

取箱涵凈寬6 m，凈高4 m，端部涵長6.5 m，斜交角45°，進行不同覆土高度下整體抗滑移和抗扭轉分析，結果見表6。

表6 不同覆土高度時，抗滑移和抗扭轉對比分析

從表6可以看出，隨著覆土高度的增大，抗滑移和抗扭轉的安全系數緩慢降低，端涵節出現整體滑移和扭轉的趨勢變化不大，覆土高度對箱涵整體抗扭轉和抗滑移的影響較小。

2.5 不同尺寸箱涵端部長度分析

取箱涵斜交角45°，覆土高度為5 m，取同一安全系數時，對不同尺寸箱涵所需端部涵長進行分析，結果見表7。

表7 同一安全系數時，不同尺寸箱涵所需端部長度對比

從表7可以看出，對于不同尺寸的箱涵，所需的最短涵長是不同的。建議設計中給出不同尺寸箱涵端部涵節最短涵長要求，以滿足整體抗滑移及扭轉要求。

3 結束語

本文通過對箱涵端部斜涵節的結構進行分析，介紹了端部一字翼墻的土壓力分層法計算分析理論，取最不利彎矩進行包絡設計，對于一字翼墻結構設計具有一定的參考意義；然后針對端部斜涵節的敏感參數進行抗滑移和抗扭轉分析。

分析結果表明：

(1)端部涵長越長，端涵節發生整體滑移和扭轉的趨勢就越小，因此盡量增加端部涵節長度。

(2)斜交角越大，端涵節發生整體滑移和扭轉的趨勢就越大，因此盡量采用小角度斜交。

(3)箱涵凈高越大，端涵節發生整體滑移和扭轉的趨勢就越大，因此建議凈高較大的箱涵盡量采用正交。

(4)覆土高度對端部斜涵節整體滑移和扭轉的影響不大。

(5)對于不同箱涵尺寸，應提供端部涵節最低涵長以滿足整體抗滑移和扭轉要求。