箱涵設計中英文對比分析

何妙猜

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200000）

1 概述

箱涵作為一種兼顧排水及通行能力的構造物，普遍應用于高等級道路與低等級道路的路線交叉及各等級道路的路線排水中。箱涵作為一種跨線構造物，除了和橋梁結構一樣的設計中需要主要考慮車輛荷載的作用外，還需要考慮涵頂填土對涵身的影響、側向土壓力對側墻的影響、基底的支撐對涵底的影響等。

由于目前設計也越來越與國際接軌，橋梁設計人員接觸的國外的設計項目也越來越多，而國外設計項目所采用的規范多與國內不同，因此有必要對國內外規范進行對比分析，從而得出各種規范對于涵洞受力影響的不同，從而得出國內外涵洞設計的異同點，以便于更好的在滿足結構安全的同時，根據當地規范優化涵洞的設計。本文主要對比分析中文規范與英文規范下的箱涵設計。

2 箱涵設計中英文規范荷載對比

2.1 移動荷載作用

通常，對于填土高度較小的箱涵而言，活載在受力中所占的比重仍然是最大的。對于國內規范的箱涵設計，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）第 4.3.1條規定，涵洞的設計采用車輛荷載進行加載。由于箱涵計算通常采用一米長度進行建模，計算中需按整體單向板考慮車輛荷載的重疊效應。對于根據英國規范 BS 5400 所進行的涵洞設計中，涵洞計算采用的移動荷載分為兩種，當填土厚度小于 0.6m 時，采用 HA 荷載進行計算，當填土厚度大于 0.6m 時，采用 30 倍的HB 替代 HA 荷載進行計算，同時也要考慮 100KN 的輪重荷載通過填土擴散之后產生的作用效應。HA 荷載為一個均布荷載和一個集中荷載索組成，均布荷載的大小根據跨徑變化而變化，集中荷載采用 120KN，或者采用一個單獨的輪載作為 HA 荷載，輪載大小 100KN，以 1.1N/mm作用于一個圓形接觸面上。30 倍的HB 荷載如下圖1所示：

圖1 HB 荷載圖示

HB 荷載標準軸載 10KN，30 倍的軸載即為300KN，則單個輪載即為 75KN，按下圖2，根據板厚及填土高度考慮車輪荷載的縱橫向擴散，即為作用于箱涵涵頂的移動荷載值。

圖2 HB 荷載擴散圖

2.2 移動荷載所產生的土壓力

對于箱涵兩側通常采用砂性土或砂礫 石進行回填，通過土力學理論可知，無粘性土的滑動破壞面可以近似的按平面考慮，其 破壞棱體為三角棱體，中國規范中，其計算公式為q = q · K，式中，q表示涵頂車輛荷載產生的豎向壓力值，K為側向土壓力系數。英國規范中其計算公式為P = K · v，其公式基本形式和國內規范計算土壓力公式相同，其中 v如下：

HA 車輪荷載：10KN/m

30 倍的 HB 荷載：12KN/ m

K 值則取 0.6 和 0.33 分別進行計算。

2.3 制動力

對于國內規范，但填土高度大于 0.5m 時，一般不考慮車輛荷載制動力影響，小于0.5m 時按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)規定考慮。

對于國外規范，當填土高度小于 0.6m 時，采用 HA荷載按8KN/m 加上250KN 考慮，最大不超過 750KN，作用于車道線寬度范圍內。當填土高度大于 0.6m 時，采用 HB 荷載計算制動力，制動力的取值按 HB 荷載的25% 考慮，并考慮一個涵長的折減系數。

2.4 溫度荷載

對于國內規范，埋深較淺的涵洞通常參考橋梁結構考慮溫度荷載作用，對于埋深較深的涵洞通常不考慮溫度荷載作用。

英國規范中，當涵洞寬長比大于 0.2 且覆土厚度大于2m 時，或者涵長大于3m 時，不考慮整體升降溫影響，當涵洞寬長比小于0.2 時，按下表1考慮溫度荷載：

表1 涵洞溫度計算參數表

2.5 箱涵內水壓力荷載

對于水壓力，中國規范和英國規范均采用均布荷載和梯形荷載進行模擬。

2.6 荷載組合對比分析

國內規范中，箱涵的設計按照普通鋼筋混凝土構件分別進行承載能力極限狀態設計和正常使用是極限狀態設計，各荷載組合系數參照《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）進行。

英國規范中，和國內規范類似，涵洞按承載能力極限狀態進行驗算承載能力，按正常使用極限狀態驗算裂縫寬度，其計算系數如下表2、表3：

表2 承載能力極限狀態荷載系數表

表3 正常使用極限狀態組合系數表

3 中英規范計算對比分析

以一個 4×3m，填土厚度 2-4m 涵洞為例，涵洞頂板厚度 0.6m，底板厚度 0.7m，兩側墻厚度 0.6m，凈寬4m，凈高 3m。采用 MIDAS 建模計算，為便于計算比較，采用相同的邊界條件進行計算，計算模型如下圖：

圖3 涵洞計算模型圖

經計算，中英文規范承載能力作用下，荷載彎矩圖、剪力圖如下圖4、圖5、圖6、圖7：

圖4 中國規范下承載能力彎矩包絡圖

圖5 英國規范下承載能力彎矩包絡圖

圖6 中國規范下承載能力剪力包絡圖

圖7 英國規范下承載能力剪力包絡圖

從圖中可知，整體來說兩者反力結果相差不大，對于頂板而言，支點處彎矩值相差較小，跨中彎矩值中國規范要偏大一點，對于底板而言則才有英國規范計算所得跨中彎矩值要比中國規范大一點。而對于側墻而言，中國規范計算所得彎矩值則要偏大一點。剪力值則中國規范計算結果整體要偏大一點。因此，但從受力來看，采用中國規范進行設計的涵洞荷載的設計值與采用英國規范進行設計的涵洞的荷載設計值基本相差不大，但由于篇幅有限，本文僅對比了荷載的不同，未對承載力計算、裂縫計算、鋼筋應力計算等的抗力系數及影響因子進行對比分析，由于兩種規范對于結構安全的要求也存在一定的差別，這就需要通過具體的結構配筋來體現，本文主要從荷載的角度分析兩種規范的不同。

4 結論

文中僅對中英文規范下的荷載及荷載產生的效應進行分析，從分析可知，中國規范計算下，結構的受力要比英國規范結構受力要小，這主要是所選用的活載類型不同所導致的，對于國外項目的箱涵設計，設計師首先應明確其活載的作用形式及影響系數值，活載對于涵洞結構的影響不光體現在其 豎向荷載上，還有其產生的側向土壓力作用。由于填土的影響，溫度荷載對于涵身的影響 較小，中國規范中基本不考慮該荷載的作用，而英國規范中，在填土厚度小于 2m 是考慮了溫度梯度對于結構頂板的影響，經計算其 影響較小。