箱涵結構設計相關問題探討

魏俊

摘要：箱涵作為一種重要的涵洞形式，以其結構形式經濟合理、跨越能力相對較強以及設計施工簡單快速的優勢，在公路和市政道路中都得以極為廣泛的應用。正是由于箱涵結構比較常規，在工程設計過程中是比較容易忽視的環節，在設計的過程中對各項參數的取值未做仔細的分析，僅是想當然地設計可能造成結構的可靠性不足。有鑒于此，本文對箱涵結構設計的相關參數取值及計算方法進行探討。對于與箱涵結構類似的下穿通道、電力隧道、綜合管廊等也可以供參考。

關鍵詞： ?箱涵;土壓力;水壓力;不利布置;包絡設計

在工程建設中箱涵應用的極為普遍，主要得益于其結構跨越能力較強、造價較低、設計和施工方便快速的特點。此類結構比較簡單，簡化模型就是一個閉合的框架，組成構件為頂、底板和側壁（若是多孔箱涵則還包括中隔墻）。閉合框架上的作用按隨時間的變化趨勢分為永久作用（如結構重力、土的重力和側壓力等）、可變作用（如汽車荷載、溫度作用、水壓力等）、偶然作用（撞擊作用等）、地震作用;按對結構是否有利分為有利作用和不利作用。應明確的一點是：永久作用、可變作用、偶然作用、地震作用都不能一概而論為有利作用或不利作用，結構體系是由很多的結構構件組成的，某一構件的不利作用往往是另一構件的有利作用。對永久作用而言，無論對結構構件是有利還是不利都是一直存在的，無需過多的進行考慮;對可變作用而言，則需要對每個構件考慮不利布置，有利的布置區域不應布置可變作用。需要注意的是同一個組合中，永久作用的分項系數應取同一個值（不可有利的取小值而不利的取大值）。偶然作用和地震作用規范規定的很明確，本文不作討論。

一. 規范中有關作用的討論

《公路橋涵設計通用規范》中將水浮力歸為永久作用，這一點與我們的常識有悖，因為無論是地下水還是江河湖泊的水位都是變化的，浮力也應該是變化的。但是通過仔細分析就會發現：對橋梁結構中實心構件或內外水壓平衡的構件無論在何種工況下，如果水浮力需要計入（比如下部結構整體穩定性驗算）都應該按照抗浮水位進行計入，否則就直接不考慮（比如驗算地基基礎時）。了解了這一點，我們在考慮水壓力的時候就知道不應拘泥于規范對將水的作用歸為永久作用，應考慮水壓力對板殼體系面外作用的不利布置，并不是所有的工況都要計入水壓力。但應注意的是，如果存在水浮力，則應按照該設計水位的所有并發水壓力加載，因為所有與水接觸的面必然是存在水壓力的。

《公路橋涵設計通用規范》中規定土的側壓力采用主動土壓力，這一點規定主要是針對橋臺或擋土墻而言的，因為此類構筑物在土壓力的作用下會有比較大的位移，使土體達到主動狀態下的極限位移，具備形成主動土壓力的條件。對于箱涵結構這類的支撐對稱結構，由于對撐的影響且結構兩側的土壓力基本相當（實施中要求對稱填筑施工），不可能出現很大的位移，自然就不具備形成主動土壓力的條件，此種狀態下的土壓力分布形態更接近于靜止土壓力狀態。因而此時再按照主動土壓力計算則可能存在土壓力取值偏小的問題。那么是否應該按照靜止土壓力來計算呢？《公路涵洞設計規范》取值為靜止土壓力系數，《鐵路橋涵設計規范》認為水平土壓力在考慮填土會受到向上的摩阻力作用下減小，因而在“靜止土壓力”取值時取小值。同時，《鐵路橋涵設計規范》也提出了“在試驗資料尚不充分的情況下，對以往標準設計的經驗應適當考慮”。由此可知，規范在側向土壓力的取值上尚未完全定論。不過兩本規范都指向了靜止土壓力，準確的說側向土壓力應介于靜止土壓力與主動土壓力之間。另外，由于箱涵并不設置泄水孔，地下水對側向土壓力的影響也十分顯著。對于透水性土一般采用水土分算，對于不透水性土一般采用水土合算。水土分算時需注意由于水的浮力，土的側向土壓力會減小，但由水產生的側壓力會增加較多;水土合算時應注意考慮地下水以上和以下土料的c、φ值應相區別，地下水以下土料的c、φ值更小從而使得側向土壓力更大。

箱涵頂板上的覆土受基槽的開挖寬度、放坡系數、覆土厚度、箱涵的外形寬度等因素的影響，覆土豎向壓力系數取1.04～1.15，這一系數取值可按照《公路涵洞設計規范》相關規定執行。另外需要注意的是，當地下水位高于箱涵頂部時，地下水以下的覆土應按照飽和容重取值來確定豎向壓力。

《公路涵洞設計規范》中規定涵洞設計汽車荷載應采用車輛荷載，這一點跟《公路橋涵設計通用規范》的相關規定是統一的。箱涵頂面的汽車荷載按照車輪荷載的壓力擴散線的外輪廓線確定加載范圍，由此確定汽車荷載大小;沖擊荷載則仍按照《公路橋涵設計通用規范》的相關規定執行，暗涵（填料厚度≥0.5m）可不計入沖擊荷載。涵臺后由汽車荷載引起的土壓力由布置在破壞棱體范圍內的車輪總重力除以破壞棱體的水平投影面積后等代為均布土層厚度后確定，需要注意的是：①若箱涵分段設置了變形縫則需要按設縫間距考慮破壞棱體的長度;②車輪總重力應按照最不利的車輪布置確定車輪總重力的最大值。

對于明涵，特別是涵洞頂面沒有覆土而只有鋪裝層時，溫度作用的影響也是相當明顯的。比如在梯度溫度下，由于箱涵頂板受到的約束特別強、剛度比較大，會產生很大的溫度應力，因而需要適當的考慮此不利影響，溫度作用的取值可參照《公路橋涵設計通用規范》的相關規定。

二. 設計中有關作用取值、組合的討論

通過前文的討論，我們知道了作用在箱涵上的作用有箱涵自重、頂板覆土的豎向壓力、土側向壓力、汽車荷載、水浮力和側向壓力、溫度作用、偶然作用和地震作用等。這里我們不討論溫度作用、偶然作用和地震作用;將地下水產生的各種作用按可變荷載進行考慮。

按照作用的方向劃分，自重、覆土豎向壓力、汽車荷載為豎向壓力;土側向壓力、汽車荷載引起的土側向壓力、地下水引起的土側向壓力變化、水壓力側向（按照水土分算討論）為水平壓力。以單孔箱涵為例，簡單的力學分析便可得出以下結論：水平壓力越大，則側壁內力越大，頂底板的端彎矩和軸力越大、跨中彎矩越小;豎向壓力越大，則頂底板內力越大，側壁的端彎矩和軸力越大、跨中彎矩越小。由此可知，無論是豎向荷載還是水平荷載，并非簡單的荷載取大值便是最不利的條件，對構件而言，任何一種荷載的取值都有可能影響其內力分布，每一個構件的可變作用不利布置是不同的。

諸如自重、覆土豎向壓力等永久作用在任何工況下都是固定存在的，每一種組合都必須將其考慮進去。對于可變作用我們可以分為兩種類型：一種是其取值不算太明確的（比如土的側向壓力系數），另一種是取值明確，但可能存在也可能不存在的（比如地下水、汽車荷載等）。為了將各種不利的情況都包絡進去，筆者認為可以將計算模型分兩次進行設計，這兩次設計主要的差異在于對土壓力系數的取值不一致。前文提到土壓力系數應介于主動土壓力系數和靜止土壓力系數之間，那么我們這兩個計算模型的土壓力系數分別取值，然后再將兩個模型的計算結果進行包絡設計，這樣就能避免因參數取值不準確而造成結構不利。

對于每一個模型內，因為汽車荷載的分布作為不利荷載、水的存在與否對其他荷載影響比較大。對于汽車荷載的不利分布，可簡單的將作用于箱涵頂板正上方、箱涵左側、箱涵右側的汽車荷載分別輸入，然后將三個工況進行全組合（即窮舉所有可能的疊加或包絡組合）。為了將地下水因素考慮進來，筆者認為可以按以下步驟進行操作：①按照無地下水輸入各項荷載;②輸入考慮了由地下水引起其它荷載變化的地下水荷載。比如地下水的側向壓力為10，但引起側向土壓力減少了3.33，則實際輸入的側向水壓力應為10-3.33=6.67;再比如頂板收到水的豎向壓力為10，但引起覆土豎向壓力減少了8，則實際輸入的豎向水壓力應為10-8=2。這樣操作的好處在于將由地下水引起變化的那一部分和地下水荷載歸并為地下水荷載，設計時采用相同的分項系數和組合系數，在概念上與實際才是相符的;另外，在輸入地下水作用的時候將地下水引發的各種并發荷載一次全部輸入，并考慮了由此引起的其他荷載變化，滿足各種不同作用的并發性和互斥性，更加真實合理。

三、結語

箱涵作為一種非常簡單的結構形式，結構分析十分明確，但是通過上述的討論，會發現還是會有很多容易忽視弄錯的點，說明我們對待任何一種結構形式，無論其看上去多么簡單，都要仔細的分析其所有可能受到的荷載工況，并對各種荷載工況的并發性和互斥性進行梳理，分析結構各構件可能受到在的荷載不利布置，在建模模型的過程中對各種荷載有條理的輸入，既要避免錯漏，也要避免重復考慮荷載。對于某些因試驗資料尚不充分無法準確確定的參數，應采取一些變通的手段來確保設計的可靠。總之，規范和計算軟件是死板的，設計人員只有充分理解規范條文的用意、熟悉軟件的各參數的含義，力學概念清晰并給予足夠的重視，才能靈活的采用各種手段來模擬結構真實的受力狀態，以實現精準獲取結構內力分布，指導各構件的設計。

參考文獻

[1] 鐵道部;鐵路工程技術規范·第二篇·橋涵;人民鐵道出版社，1975