關(guān)于重載下石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探討

吳貴艷　陳芳平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

關(guān)于重載下石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性探討

吳貴艷陳芳平

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要以貴州習(xí)水二郎電廠的大型發(fā)電機(jī)運(yùn)輸前期勘察和預(yù)估為背景依托，對(duì)該項(xiàng)目中習(xí)水至草蓮壩路段上的某一典型尺寸的石拱涵在重載條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行針對(duì)性的分析探討，在理論研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)編程軟件VB對(duì)石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算進(jìn)行編程，得到一個(gè)在重載作用下石拱涵結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的應(yīng)用程序。通過(guò)此程序的驗(yàn)算可以對(duì)大件運(yùn)輸條件下石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，為大件運(yùn)輸條件下道路的安全通過(guò)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞大件運(yùn)輸石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性應(yīng)用程序

大件運(yùn)輸[1]自身含有2層含義，一方面是指超限[2]，即物件輪廓尺寸超過(guò)常規(guī)車輛的界限標(biāo)準(zhǔn)；另一方面是指超重，即大件運(yùn)輸車輛的總重量對(duì)道路、橋梁的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載的貨物的公路運(yùn)輸[3]。在我國(guó)現(xiàn)有的道路條件下，對(duì)大件運(yùn)輸來(lái)說(shuō)亟須解決的問題就是，在保證安全可靠的條件下，如何及時(shí)、合理地將重大件物品運(yùn)送到目的地。

本文項(xiàng)目中該大件運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備是火電廠的發(fā)電核心部分的發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子，其中定子分塊組裝，對(duì)精度要求較低；但是轉(zhuǎn)子重達(dá)370t，轉(zhuǎn)軸直徑為3m，長(zhǎng)度達(dá)15m，并且該軸屬于精密零件，要求高精度，因此運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)防變形的要求標(biāo)準(zhǔn)很高。所以該運(yùn)輸線路上石拱涵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)運(yùn)輸任務(wù)的完成質(zhì)量。本項(xiàng)目所用大件運(yùn)輸車輛是奔馳ACTORS平板車，總重量為390t，車長(zhǎng)20m，寬5.4m，全車共13軸，載重部分為單軸8個(gè)輪胎。

本次大件運(yùn)輸?shù)陌踩ㄟ^(guò)性研究，首先對(duì)該道路運(yùn)輸通道和橋梁涵洞的承載能力、道路的凈空高度、路基承載力、邊坡穩(wěn)定性、通過(guò)寬度、平豎曲線半徑及沿途的交通流量、地理情況、氣候條件等進(jìn)行周密的調(diào)查研究，計(jì)算出所能通過(guò)的運(yùn)載車輛的總重、軸載，以及尺寸等技術(shù)參數(shù)，再結(jié)合超限車輛的運(yùn)營(yíng)記錄和實(shí)地勘察分析，以此來(lái)定出道路、橋梁，以及涵洞等的通行能力[4]。本文是在此基礎(chǔ)上參考相關(guān)橋涵及圬工規(guī)范[5]中已有的計(jì)算方法，對(duì)大件重載下石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，從中延伸出對(duì)山區(qū)公路重載交通情況下涵洞穩(wěn)定性的系統(tǒng)分析[6]。

1大件運(yùn)輸車輛的重載分析

依據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)的規(guī)定，汽車荷載根據(jù)公路等級(jí)的不同劃分為公路-I級(jí)與公路-II級(jí)2個(gè)等級(jí)。本文項(xiàng)目中公路等級(jí)為二級(jí)，但由于大件貨物運(yùn)輸?shù)奶厥庑?，將橋涵設(shè)計(jì)荷載按公路-I級(jí)荷載進(jìn)行計(jì)算。汽車荷載有車道荷載、車輛荷載2種，本文采用的是車輛荷載，在公路-I級(jí)荷載條件下車輛荷載重要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1　車輛荷載主要技術(shù)指標(biāo)

荷載有2種車輛荷載的換算方式：車輛荷載可以等效為當(dāng)量土柱厚度;車輛荷載可以等效為均布荷載分布。

(1) 方式一。車輛荷載等效為當(dāng)量土柱厚度。當(dāng)量土柱法就是將車輛荷載換算成與路基填料容重相當(dāng)?shù)耐翆雍穸?，然后平鋪在車輛荷載作用的范圍內(nèi)。公式如下。

(1)

(2) 方式二。車輛荷載等效為均布荷載分布。公式如下。

(2)

式中：h0為荷載當(dāng)量土柱厚度，m；q為均布荷載，kPa；N為橫向分布的車輛數(shù)；Q為每輛車的總重，kN；L為前后軸距加輪胎著地長(zhǎng)度，m；γ為土的重力密度，kN/m3；B為橫行分布車輛輪胎外緣之間的距離，m。

(3)

式中：b為每輛車輪胎外緣之間的距離，m；d為相鄰的2輛車輛之間的凈距，m。

大件運(yùn)輸車輛一般為多輪多軸車輛，多輪組可降低單個(gè)輪胎的路面壓力荷載。在重載車輛荷載換算時(shí)，由于重載車輛的特殊性，相同情況下輪胎數(shù)要比普通車輛多得多，輪胎與路面的接觸面積也大得多，因此考慮將車輛荷載平均布置在汽車輪胎的邊緣線面積內(nèi)，將重載進(jìn)行換算。由于大件車輛的外觀尺寸較大，在運(yùn)輸過(guò)程中按國(guó)家相關(guān)政策的規(guī)定需要對(duì)運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行封路，也就是該大件運(yùn)輸車單獨(dú)行駛在該二級(jí)公路上，所以橫向分布的車輛數(shù)N=1。按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)的要求，依據(jù)式(3)可以算出B值。其他相關(guān)的車輛總重及前后軸距加輪胎著地長(zhǎng)度均按照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)中公路一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)取值，每輛車重約為3 900kN，所有輪軸總著地長(zhǎng)度為20m。將已知參數(shù)帶入式(2)即可換算出車輛荷載。

2重載下石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算

本文主要針對(duì)石拱涵拱圈結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算進(jìn)行研究(拱圈受力圖見圖1)。拱圈視為偏心受壓構(gòu)件，對(duì)拱涵拱圈而言，可僅驗(yàn)算拱頂和拱腳截面。在截面強(qiáng)度及穩(wěn)定驗(yàn)算中各參數(shù)及容許值的選取依據(jù)《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ022-85)中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

圖1拱圈受力圖式

(1) 正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

(4)

當(dāng)e0超過(guò)《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ022-85)中規(guī)定的容許偏心距的要求時(shí)，可按照下式重新來(lái)確定截面尺寸。

(5)

(2) 縱向穩(wěn)定性驗(yàn)算(當(dāng)M=0時(shí)，則應(yīng)按中心受壓構(gòu)件進(jìn)行縱向穩(wěn)定驗(yàn)算)

(6)

3石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的應(yīng)用程序開發(fā)

在整理石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論研究的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)工具VB編制出1套關(guān)于大件運(yùn)輸條件下石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的計(jì)算程序[7]。并以習(xí)貴州水二郎電廠新建項(xiàng)目中某座石拱涵及該項(xiàng)目中發(fā)電機(jī)大件運(yùn)輸為應(yīng)用實(shí)例，調(diào)試運(yùn)行程序計(jì)算該石拱涵在大荷載作用下的承載力，并判斷該石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能否達(dá)到該大件運(yùn)輸?shù)囊?，從而證實(shí)該程序的可靠性。

本程序在石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析過(guò)程中首先應(yīng)該確定石拱涵驗(yàn)算的變量參數(shù)和常量參數(shù)。變量參數(shù)有：拱頂填土高度H(m)，拱圈厚度h(m)，涵洞凈跨徑l0(m)，涵洞凈矢高h(yuǎn)0(m)，大件車輛重量P(kN)。常量參數(shù)有：土的重力密度；拱背填料容重γ1(kN/m3)；拱圈容重γ2(kN/m3)；臺(tái)身容重γ3(kN/m3)；基礎(chǔ)容重γ4(kN/m3)；土的內(nèi)摩擦角θ0(°)等。

4石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的實(shí)例驗(yàn)算分析

本程序的大概思路是：在程序窗體中，通過(guò)輸入道路與石拱涵的相關(guān)參數(shù)后(結(jié)構(gòu)尺寸見圖2)，經(jīng)過(guò)基本理論及其整理分析后的公式編程計(jì)算，得到石拱涵的受力荷載，最終輸出拱圈截面強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算、涵臺(tái)墻底截面強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算、臺(tái)口截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算、基底應(yīng)力驗(yàn)算以及地基基礎(chǔ)的抗傾覆和抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算判斷結(jié)果(程序涵洞驗(yàn)算參數(shù)輸入界面見圖3)。從而得到大件運(yùn)輸條件下石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的安全性評(píng)估分析。

圖2拱涵結(jié)構(gòu)尺寸(單位：cm)

圖3　程序涵洞驗(yàn)算參數(shù)輸入

由程序驗(yàn)算結(jié)果看出，當(dāng)拱頂填土高度2m、跨徑2m、凈高3m條件下的石拱涵，3 900kN重車在其上通行時(shí)，其拱圈的拱頂截面與拱腳截面在3種組合情況下的縱向力的偏心距均大于規(guī)范中容許偏心距的要求，在此條件下3種組合的強(qiáng)度驗(yàn)算和穩(wěn)定驗(yàn)算均不滿足大件運(yùn)輸要求，說(shuō)明拱圈是不穩(wěn)定的。但墻底截面的強(qiáng)度驗(yàn)算與穩(wěn)定性驗(yàn)算卻能夠滿足大件運(yùn)輸?shù)囊?。涵臺(tái)的臺(tái)口截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算滿足要求，地基基底合力偏心、地基承載力及基礎(chǔ)穩(wěn)定性也均滿足大件運(yùn)輸要求，這說(shuō)明涵臺(tái)及基礎(chǔ)是穩(wěn)定的。

本路段中的石拱涵共3個(gè)，跨徑均較大(不小于2m)，且石拱圈容易風(fēng)化、石料參數(shù)不容易準(zhǔn)確確定，把3個(gè)石拱涵的參數(shù)分別輸入程序中驗(yàn)算，結(jié)果均評(píng)估為不滿足大件運(yùn)輸?shù)囊?，故需要采取相?yīng)的措施以保證大件運(yùn)輸?shù)捻樌M(jìn)行。考慮到涵洞改造費(fèi)工費(fèi)時(shí)，且要阻斷交通，所以建議對(duì)上述評(píng)估為“不滿足”的3個(gè)石拱涵，在大件運(yùn)輸時(shí)采用組合鋼板搭建臨時(shí)“橋上橋”構(gòu)造，在滿足坡度等各方面要求的情況下幫助大件運(yùn)輸車輛順利通過(guò)。

5結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)程序的建立、變量定義、代碼設(shè)計(jì)和編譯，鏈接，運(yùn)行調(diào)試，生成可執(zhí)行目標(biāo)程序。最終得到大件運(yùn)輸條件下石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)算程序，從而有利于石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算能夠更加快捷方便地進(jìn)行。

(2) 依托工程實(shí)例，得出在大件運(yùn)輸條件下該石拱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判定結(jié)果，同時(shí)也利用編寫的程序?qū)ν粭l件下的石拱涵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了運(yùn)行分析，再通過(guò)對(duì)比分析手工驗(yàn)算和程序驗(yàn)算的結(jié)果，確定了程序編制的準(zhǔn)確性。

(3) 本課題研究的模擬理論性較強(qiáng)，均為數(shù)據(jù)分析，數(shù)學(xué)建模，缺乏實(shí)踐性。研究應(yīng)拓展到實(shí)際中，真正用實(shí)車及實(shí)路來(lái)檢驗(yàn)理論分析的正確性。如果在大件運(yùn)輸?shù)缆返陌踩ㄟ^(guò)性評(píng)估系統(tǒng)中，能將石拱涵的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算程序完善并運(yùn)用于其中，將會(huì)為大件運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展提供相當(dāng)大的便利和幫助。

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收稿日期：2014-10-05

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.035