重載卡車下涵洞設(shè)計(jì)程序的開發(fā)

黃金芬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

路橋與建筑

重載卡車下涵洞設(shè)計(jì)程序的開發(fā)

黃金芬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

工業(yè)礦區(qū)道路經(jīng)常行駛重型卡車，道路上的一般構(gòu)造物如橋梁與涵洞不能用一般的公路軟件計(jì)算。從這個(gè)角度出發(fā)，編制了適用于礦區(qū)道路涵洞的設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。結(jié)合礦區(qū)應(yīng)用較多的涵洞形式，編制出蓋板涵與圓管涵2種涵洞形式的計(jì)算模塊。經(jīng)檢驗(yàn)，開發(fā)程序與公路軟件在計(jì)算公路車輛荷載時(shí)，結(jié)果一致，認(rèn)為程序可行。

礦區(qū)；重載；涵洞；軟件編制

0 引言

目前，應(yīng)用于礦區(qū)橋涵構(gòu)造物計(jì)算的軟件主要有橋梁博士、橋梁通、科寶華地道橋計(jì)算系統(tǒng)、PCVX以及bridge and culvert等。一般的橋涵計(jì)算軟件通用于公路橋涵構(gòu)造物的計(jì)算，設(shè)計(jì)車型55 t，而礦區(qū)經(jīng)常行走重達(dá)幾百噸的卡車，很多涵洞計(jì)算軟件便愛莫能助了。對(duì)于礦區(qū)橋涵構(gòu)造物較多的涵洞而言，使用midas或者橋梁博士等大型橋梁軟件去建立模型再計(jì)算顯然過(guò)于浪費(fèi)時(shí)間，因此，擬開發(fā)一個(gè)可以計(jì)算重載卡車作用下的涵洞計(jì)算程序，來(lái)完成一般公路涵洞軟件計(jì)算不了的工程項(xiàng)目。

1 開發(fā)思路

涵洞計(jì)算的思路和流程如圖1。

如圖1所示，首先根據(jù)活載信息計(jì)算出分布到涵頂?shù)膲簭?qiáng)；輸入涵洞的尺寸信息，并進(jìn)行內(nèi)力組合；其次輸入鋼筋參數(shù)，計(jì)算涵洞的應(yīng)力、裂縫，并根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行驗(yàn)算；如若滿足，則計(jì)算結(jié)束，若不滿足，則返回調(diào)整涵洞尺寸信息，或調(diào)整鋼筋參數(shù)，使得最終的計(jì)算結(jié)果滿足要求。若僅為配筋率或裂縫不滿足的條件下，僅調(diào)整鋼筋量即可；若彎矩不滿足，偏差量少的情況下調(diào)整鋼筋，否則，需調(diào)整涵洞的尺寸信息。

礦區(qū)涵洞多數(shù)設(shè)計(jì)為蓋板涵與圓管涵，因此，本開發(fā)程序擬設(shè)計(jì)2種涵洞形式，在計(jì)算涵身結(jié)果的同時(shí)驗(yàn)算地基承載力。

2 程序介紹

本計(jì)算程序共分為“涵頂活載強(qiáng)度”、“蓋板計(jì)算”、“涵臺(tái)計(jì)算”、“圓管計(jì)算”和“地基承載力驗(yàn)算”5個(gè)計(jì)算模塊，另附一“程序說(shuō)明”頁(yè)，現(xiàn)分別將計(jì)算模塊內(nèi)容介紹如下。

1）模塊一：涵頂活載強(qiáng)度。普通涵洞計(jì)算軟件只能計(jì)算公路車輛活載，車型固定不變，對(duì)于較大噸位的車輛更是計(jì)算不了。本程序?qū)④囕v的著地寬度與長(zhǎng)度、軸距、輪距以及線間距等以變量給出，靠用戶手動(dòng)輸入，從而可以計(jì)算任意車型。根據(jù)填高等變量，程序可算出活載至涵頂?shù)姆植紝挾扰c分布長(zhǎng)度，繼而算出涵頂?shù)幕钶d強(qiáng)度。涵頂活載強(qiáng)度計(jì)算見表1。

圖1 涵洞計(jì)算流程

表1 涵頂活載強(qiáng)度計(jì)算

2）模塊二：蓋板計(jì)算。此模塊可計(jì)算明蓋板與暗蓋板兩種型式。輸入蓋板基本參數(shù)（板厚、鋪裝層厚度、凈跨徑、擱置長(zhǎng)度、涵頂強(qiáng)度、填土高度、輪重）后，程序即可計(jì)算出蓋板的跨中彎矩與支點(diǎn)剪力，蓋板內(nèi)力按照簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行計(jì)算。鋪裝層厚度處填“0”時(shí)程序按照暗涵計(jì)算蓋板內(nèi)力，否則，按照明涵處理。“鋼筋合力作用點(diǎn)距底緣距離”處根據(jù)混凝土保護(hù)層厚度計(jì)算，按照環(huán)境類型選取相應(yīng)的保護(hù)層厚度；“結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)”、“混凝土抗壓強(qiáng)度”、“混凝土抗拉強(qiáng)度”、“鋼筋抗壓強(qiáng)度”幾個(gè)參數(shù)值分別按照規(guī)范要求或相應(yīng)的混凝土與鋼筋的等級(jí)選??；“所需鋼筋面積”根據(jù)鋼筋直徑與根數(shù)計(jì)算完成后手動(dòng)輸入；“涵洞形式”如果是暗涵填“0”，如果是明涵則填寫“明涵”。根據(jù)所填寫的鋼筋與混凝土信息，程序即可進(jìn)行彎矩、剪力、最小配筋率和裂縫的驗(yàn)算。不斷調(diào)整“鋼筋面積”與“板厚”等計(jì)算參數(shù)，使驗(yàn)算結(jié)果滿足要求即可。

計(jì)算時(shí)，需注意：①本涵洞計(jì)算未涉及涵洞的填埋形式，計(jì)算土壓力時(shí)計(jì)算公式均為γH；若為“填埋式”涵洞，應(yīng)將蓋板受力計(jì)算結(jié)果×1.4的系數(shù)；②蓋板涵計(jì)算斜截面受剪承載力時(shí)，由于公路蓋板不配置箍筋，因此，剪力實(shí)由混凝土承擔(dān)；③本程序不適用于凈跨徑大于3 m的明蓋板涵，且程序計(jì)算的相對(duì)保守，未考慮荷載橫向分布情況。

3）模塊三：涵臺(tái)計(jì)算。本程序蓋板涵基礎(chǔ)采用整體性基礎(chǔ)，因此，涵臺(tái)計(jì)算采用頂部簡(jiǎn)支、底部固定的計(jì)算模型進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算時(shí)考慮外側(cè)土壓力與車輛活載的荷載分布。

在頁(yè)面“需輸入條件1”中輸入“涵臺(tái)高度”信息，“填土高度”、“板厚”、“傳至涵頂?shù)膲簭?qiáng)”幾項(xiàng)參數(shù)根據(jù)前兩個(gè)頁(yè)面自動(dòng)獲得，程序可計(jì)算出涵臺(tái)臺(tái)身頂部、底部的彎矩與剪力，并計(jì)算出最大彎矩及其相應(yīng)位置。在頁(yè)面“需輸入條件2”中輸入“邊墻厚”（即涵臺(tái)厚度）參數(shù)，“鋪裝層厚度”、“凈跨徑”兩項(xiàng)參數(shù)根據(jù)前2個(gè)頁(yè)面自動(dòng)獲得，程序據(jù)此計(jì)算彎曲壓應(yīng)力、彎曲拉應(yīng)力、剪應(yīng)力與穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)果數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整涵臺(tái)寬度信息，使各項(xiàng)驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

計(jì)算時(shí)，需注意：①?gòu)澗刈畲笪恢脧膲Φ姿闫穑虎诤_(tái)驗(yàn)算時(shí)，材料選用的是漿砌片石，若采用混凝土，則需將驗(yàn)算項(xiàng)中的“允許σ*”應(yīng)力項(xiàng)換成混凝土材料參數(shù)。

4）模塊四：圓管計(jì)算。在需輸入條件表格中輸入圓管“管節(jié)厚度”、“管徑”信息，“涵頂強(qiáng)度”、“填土高度”由前2個(gè)頁(yè)面自動(dòng)獲得，程序據(jù)此計(jì)算出圓管的彎矩，并進(jìn)行內(nèi)里組合計(jì)算出設(shè)計(jì)彎矩。在特殊情況下需輸入的條件表格中，設(shè)計(jì)者需輸入“鋼筋直徑”與“鋼筋根數(shù)”信息，程序自動(dòng)算出所需鋼筋面積；“鋼筋合力作用點(diǎn)”、“結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)”、“混凝土抗壓強(qiáng)度”、“混凝土抗拉強(qiáng)度”、“鋼筋抗壓強(qiáng)度”與“計(jì)算時(shí)取的管節(jié)長(zhǎng)度”幾項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)有設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，可參考蓋板涵計(jì)算頁(yè)面說(shuō)明。程序據(jù)此可進(jìn)行管節(jié)彎矩、最小配筋率和裂縫驗(yàn)算。不斷調(diào)整鋼筋與管節(jié)厚度信息，使各項(xiàng)驗(yàn)算結(jié)果滿足要求。

計(jì)算時(shí)，需注意管徑是指圓管涵的半徑。由于圓管管身剪力與環(huán)向壓力較小，可忽略不計(jì)，因此本程序僅計(jì)算管身彎矩，彎矩的計(jì)算公式：

式中：q土、q自、q汽為填土、管自重、汽車荷載產(chǎn)生的垂直壓力；R為管壁中線半徑；λ為土的側(cè)壓系數(shù)，λ=tan2（45°-φ/2）；φ為土的內(nèi)摩擦角。

5）模塊五：地基承載力驗(yàn)算。此模塊分為蓋板涵地基應(yīng)力驗(yàn)算與圓管涵地基應(yīng)力驗(yàn)算。蓋板涵地基應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)輸入“基礎(chǔ)厚度”一項(xiàng)參數(shù)，程序即可計(jì)算出基底應(yīng)力；圓管涵地基應(yīng)力驗(yàn)算則不用輸入，程序根據(jù)前幾個(gè)模塊參數(shù)條件自行計(jì)算基底應(yīng)力。

3 程序檢驗(yàn)

1）蓋板涵檢驗(yàn)。采用鋼筋混凝土蓋板暗涵，板厚0.2 m，擱置長(zhǎng)度0.2 m，涵臺(tái)高度1 m，C30混凝土強(qiáng)度，HRB335級(jí)鋼筋?；钶d采用一般公路軟件所能計(jì)算的公路車輛荷載，將其它所需要的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)信息列入表2，將計(jì)算結(jié)果與公路計(jì)算軟件結(jié)果對(duì)比列入表3。

表2 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

表3 蓋板涵計(jì)算結(jié)果對(duì)比

本程序計(jì)算時(shí)輸入與公路軟件推薦的鋼筋截面面積。由表3中可以看出，截面所受彎矩相同、剪力相差6.3 kN；截面抵抗彎矩相差1.7 kN·m，剪力相差3.9 kN，這幾個(gè)數(shù)據(jù)差距不大，且程序計(jì)算較為保守，因此，可以采用本程序進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。

2）圓管涵檢驗(yàn)。采用1～1.0 m孔徑型式的鋼筋混凝土圓管涵，壁厚0.1 m，填土高度1.1 m，C30混凝土強(qiáng)度，HPB235級(jí)鋼筋。活載采用一般公路軟件所能計(jì)算的公路車輛荷載，將其它所需要的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)信息列入表4，將計(jì)算結(jié)果與公路計(jì)算軟件結(jié)果對(duì)比列入表5。

表4 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

表5 圓管涵計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表5中可以看出，截面所受彎矩與截面抵抗彎矩相差無(wú)幾，且本開發(fā)程序計(jì)算較為保守，裂縫計(jì)算結(jié)果相同。

3）其它項(xiàng)目檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，關(guān)于蓋板涵臺(tái)與地基承載力，開發(fā)程序與公路軟件皆相差無(wú)幾，可以采用。

4 結(jié)論

礦區(qū)道路行駛荷載的特殊性與復(fù)雜性決定了礦區(qū)橋涵的設(shè)計(jì)不同于一般公路橋梁。在研究了大量公路涵洞與礦區(qū)涵洞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，編制了適用于礦區(qū)荷載的涵洞計(jì)算程序，可以計(jì)算任意車型下的涵頂強(qiáng)度，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算模型及公式計(jì)算出涵洞的內(nèi)力，推算出合適的涵洞尺寸與配筋。結(jié)合礦區(qū)應(yīng)用較多的涵洞形式，本開發(fā)程序編制出蓋板涵與圓管涵2種涵洞形式的計(jì)算模塊，可以計(jì)算蓋板、圓管、蓋板涵臺(tái)與地基承載力。經(jīng)檢驗(yàn)，開發(fā)程序與公路軟件在計(jì)算公路車輛荷載時(shí)，結(jié)果一致，因此認(rèn)為可行。

本程序僅開發(fā)蓋板涵與圓管涵2種礦區(qū)較為通用的涵洞計(jì)算模塊，下一步開發(fā)的是箱涵與拱涵2種模塊；已開發(fā)的涵臺(tái)計(jì)算模塊中，默認(rèn)材料為漿砌片石，下一步將把混凝土材料補(bǔ)充其中，使其更加完善。

［1］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTGD60—2004.公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 中華人民共和國(guó)交通部.JTG/TD65—04—2007，公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)劃委員會(huì).GBJ 22—87廠礦道路設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民計(jì)劃出版社，1989：70-88.

［5］ 管楓年，洪仁濟(jì).涵洞［M］.第2版.北京：水利電力出版社，1989.

［6］ 孫家駟.公路小橋涵勘測(cè)設(shè)計(jì)［M］.第4版.北京：人民交通出版社，2009.

［7］ 孫吉書，楊春風(fēng)，竇遠(yuǎn)明，等.基于交通調(diào)查的重載交通公路橋梁設(shè)計(jì)車輛荷載探討［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（1）：91-95.

［8］ 熊杰.框架橋頂進(jìn)法施工技術(shù)在既有鐵路施工中的應(yīng)用［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（55）：139.

【責(zé)任編輯：解連江】

Development of culvert design program under heavy load truck

HUANG Jinfen
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Industrial mining area roads often drives heavy trucks,general structures such as bridges and culverts on the road cannot be calculated by the general highway software.From this perspective,the author compiles the calculation software which is suitable for the mining roads'culverts.Combining with the widely used culvert type,the author develops software and compiles slab culvert and round pipe culvert modules.Through examination,the result of developed program and road software is identical when calculating road vehicle load,the program is feasible.

mining area;heavy load;culvert;software compile

TD422

B

1671－9816（2017）04－0075－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.022

黃金芬.重載卡車下涵洞設(shè)計(jì)程序的開發(fā)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：75-77.

2016-12-12

黃金芬（1986—），女，遼寧莊河人，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國(guó)科工集團(tuán)沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司從事橋梁設(shè)計(jì)工作。