箱涵設(shè)計中英文對比分析

何妙猜

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)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(gòu)造物，普遍應(yīng)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(gòu)造物，除了和橋梁結(jié)構(gòu)一樣的設(shè)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(cè)向土壓力對側(cè)墻的影響、基底的支撐對涵底的影響等。

由于目前設(shè)計也越來越與國際接軌，橋梁設(shè)計人員接觸的國外的設(shè)計項(xiàng)目也越來越多，而國外設(shè)計項(xiàng)目所采用的規(guī)范多與國內(nèi)不同，因此有必要對國內(nèi)外規(guī)范進(jìn)行對比分析，從而得出各種規(guī)范對于涵洞受力影響的不同，從而得出國內(nèi)外涵洞設(shè)計的異同點(diǎn)，以便于更好的在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時，根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范優(yōu)化涵洞的設(shè)計。本文主要對比分析中文規(guī)范與英文規(guī)范下的箱涵設(shè)計。

2 箱涵設(shè)計中英文規(guī)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(nèi)規(guī)范的箱涵設(shè)計，《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第 4.3.1條規(guī)定，涵洞的設(shè)計采用車輛荷載進(jìn)行加載。由于箱涵計算通常采用一米長度進(jìn)行建模，計算中需按整體單向板考慮車輛荷載的重疊效應(yīng)。對于根據(jù)英國規(guī)范 BS 5400 所進(jìn)行的涵洞設(shè)計中，涵洞計算采用的移動荷載分為兩種，當(dāng)填土厚度小于 0.6m 時，采用 HA 荷載進(jìn)行計算，當(dāng)填土厚度大于 0.6m 時，采用 30 倍的HB 替代 HA 荷載進(jìn)行計算，同時也要考慮 100KN 的輪重荷載通過填土擴(kuò)散之后產(chǎn)生的作用效應(yīng)。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(jù)跨徑變化而變化，集中荷載采用 120KN，或者采用一個單獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)板厚及填土高度考慮車輪荷載的縱橫向擴(kuò)散，即為作用于箱涵涵頂?shù)囊苿雍奢d值。

圖2 HB 荷載擴(kuò)散圖

2.2 移動荷載所產(chǎn)生的土壓力

對于箱涵兩側(cè)通常采用砂性土或砂礫 石進(jìn)行回填，通過土力學(xué)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(guī)范中，其計算公式為q = q · K，式中，q表示涵頂車輛荷載產(chǎn)生的豎向壓力值，K為側(cè)向土壓力系數(shù)。英國規(guī)范中其計算公式為P = K · v，其公式基本形式和國內(nèi)規(guī)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(jìn)行計算。

2.3 制動力

對于國內(nèi)規(guī)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(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定考慮。

對于國外規(guī)范，當(dāng)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(nèi)。當(dāng)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(shù)。

2.4 溫度荷載

對于國內(nèi)規(guī)范，埋深較淺的涵洞通常參考橋梁結(jié)構(gòu)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(guī)范中，當(dāng)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(dāng)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(shù)表

2.5 箱涵內(nèi)水壓力荷載

對于水壓力，中國規(guī)范和英國規(guī)范均采用均布荷載和梯形荷載進(jìn)行模擬。

2.6 荷載組合對比分析

國內(nèi)規(guī)范中，箱涵的設(shè)計按照普通鋼筋混凝土構(gòu)件分別進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計和正常使用是極限狀態(tài)設(shè)計，各荷載組合系數(shù)參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）進(jìn)行。

英國規(guī)范中，和國內(nèi)規(guī)范類似，涵洞按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算承載能力，按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算裂縫寬度，其計算系數(shù)如下表2、表3：

表2 承載能力極限狀態(tài)荷載系數(shù)表

表3 正常使用極限狀態(tài)組合系數(shù)表

3 中英規(guī)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(cè)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(jìn)行計算，計算模型如下圖：

圖3 涵洞計算模型圖

經(jīng)計算，中英文規(guī)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(guī)范下承載能力彎矩包絡(luò)圖

圖5 英國規(guī)范下承載能力彎矩包絡(luò)圖

圖6 中國規(guī)范下承載能力剪力包絡(luò)圖

圖7 英國規(guī)范下承載能力剪力包絡(luò)圖

從圖中可知，整體來說兩者反力結(jié)果相差不大，對于頂板而言，支點(diǎn)處彎矩值相差較小，跨中彎矩值中國規(guī)范要偏大一點(diǎn)，對于底板而言則才有英國規(guī)范計算所得跨中彎矩值要比中國規(guī)范大一點(diǎn)。而對于側(cè)墻而言，中國規(guī)范計算所得彎矩值則要偏大一點(diǎn)。剪力值則中國規(guī)范計算結(jié)果整體要偏大一點(diǎn)。因此，但從受力來看，采用中國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計的涵洞荷載的設(shè)計值與采用英國規(guī)范進(jìn)行設(shè)計的涵洞的荷載設(shè)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(yīng)力計算等的抗力系數(shù)及影響因子進(jìn)行對比分析，由于兩種規(guī)范對于結(jié)構(gòu)安全的要求也存在一定的差別，這就需要通過具體的結(jié)構(gòu)配筋來體現(xiàn)，本文主要從荷載的角度分析兩種規(guī)范的不同。

4 結(jié)論

文中僅對中英文規(guī)范下的荷載及荷載產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行分析，從分析可知，中國規(guī)范計算下，結(jié)構(gòu)的受力要比英國規(guī)范結(jié)構(gòu)受力要小，這主要是所選用的活載類型不同所導(dǎo)致的，對于國外項(xiàng)目的箱涵設(shè)計，設(shè)計師首先應(yīng)明確其活載的作用形式及影響系數(shù)值，活載對于涵洞結(jié)構(gòu)的影響不光體現(xiàn)在其 豎向荷載上，還有其產(chǎn)生的側(cè)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(guī)范中基本不考慮該荷載的作用，而英國規(guī)范中，在填土厚度小于 2m 是考慮了溫度梯度對于結(jié)構(gòu)頂板的影響，經(jīng)計算其 影響較小。