公路蓋板暗涵計算參數(shù)及簡化模型探討

于永正

(遼寧省公路勘測設計公司 沈陽市 100166)

蓋板暗涵是公路設計中最常見的構(gòu)造物形式，由于其結(jié)構(gòu)受力形式相對簡單，設計人員在進行結(jié)構(gòu)計算時往往不重視，在工程實踐中仍存在計算參數(shù)取用不合理的情況，導致蓋板涵的結(jié)構(gòu)安全性降低，影響了蓋板涵的正常使用。為保證工程設計質(zhì)量，擬對蓋板暗涵計算參數(shù)的取用進行探討,以一孔4×4m蓋板涵為例，對采用不同的計算參數(shù)計算結(jié)果進行了對比分析。

1 蓋板涵上部結(jié)構(gòu)計算參數(shù)分析

1.1 不均勻沉降系數(shù)K對填土豎向壓力計算的影響

目前在進行填土豎向壓力計算中，主要有等沉面法、卸荷拱法和土柱法三種計算方法，從三種計算方法的計算結(jié)果看，等沉面法計算時考慮涵洞兩側(cè)土體沉降對豎向力的影響，故豎向力的計算結(jié)果最大；卸荷拱法計算的豎向力最小，由于卸荷拱法計算理論的形成條件一般不宜滿足，故大多數(shù)情況下很少采用該計算方法；土柱法計算比較簡單，是目前公路部門涵洞設計中普遍采用的方法，但要求涵洞兩側(cè)填土必要壓實。填土的重力對涵洞的豎向力計算公式主要有以下兩種計算公式：

qv=γh 《公路橋涵通用設計規(guī)范》(土柱法)

qv=Kγh 《公路涵洞設計細則》(等沉面法)

式中：γ—土的重力密度；

h—計算截面至路面頂?shù)母叨龋?/p>

K—臺后不均勻沉降影響系數(shù)，久經(jīng)壓實的路基取1.0。

表1 不均勻沉降影響系數(shù)K

表2 不均勻沉降系數(shù)對填土豎向壓力計算結(jié)果的影響對比

從以上計算結(jié)果看，考慮不均勻沉降系數(shù)對蓋板涵的內(nèi)力計算結(jié)果影響還是比較大的。在工程設計中，為防止臺后跳車現(xiàn)象以及保證臺后填土的壓實度，基本會對臺后進行過渡段設計并采用填筑透水性材料的方法對臺后進行處理。故在對涵洞進行結(jié)構(gòu)計算時，一般情況下采用土柱法進行計算，忽略涵洞兩側(cè)填土下沉產(chǎn)生的附加壓力是比較合理的。但對于地質(zhì)條件相對較差的新建道路，為保證涵洞地基承載力，往往會對涵洞位置進行地基處理，而涵洞兩側(cè)地基未進行相應處理時，則應采用等沉面法進行計算，考慮不均勻沉降系數(shù)K的影響。

1.2 橫向車道布載系數(shù)對車輛荷載垂直壓力計算的影響

在進行涵洞內(nèi)力計算時，主要采用車輛荷載進行分析計算。根據(jù)最新《公路橋涵設計通用規(guī)范》的相關規(guī)定，當布置一條車道汽車荷載時，應考慮汽車荷載的提高。目前，采用車輛荷載進行涵洞內(nèi)力分析時是否需要考慮橫向車道布載系數(shù)，仍存在一定的爭議。筆者認為，新規(guī)范中關于橫向車道布載的描述是“汽車荷載”，而汽車荷載是由車道荷載和車輛荷載組成的；同時新規(guī)范中對車道荷載的集中荷載標準值以及車輛荷載的分項系數(shù)均進行了提高，如果對于橫向車道布載系數(shù)僅在車道荷載時考慮而在車輛荷載計算分析時不考慮是不合理的。故在計算車輛荷載引起的垂直壓力計算時，應考慮橫向車道布載系數(shù)的影響，結(jié)合車道數(shù)，分別對單車和雙車作用的車輛荷載分別進行計算，取二者的較大值。表3為考慮橫向布載系數(shù)時采用單車和雙車作用時車輛荷載引起的垂直壓力計算對比結(jié)果。

表3 橫向車道布載系數(shù)對車輛荷載計算結(jié)果的影響對比

從以上計算結(jié)果可以看出，當考慮橫向車道布載系數(shù)時對車輛荷載引起的垂直壓力計算結(jié)果影響較大，特別是在涵頂填土高度相對較小時，其垂直壓力增幅較大。為保證公路涵洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，建議在進行內(nèi)力計算時，應充分考慮橫向車道布載系數(shù)的影響。

2 蓋板涵下部結(jié)構(gòu)計算參數(shù)分析

2.1 車輛荷載等代土層厚度對臺身計算的影響

根據(jù)《公路橋梁設計通用規(guī)范》第4.3.4條規(guī)定。汽車荷載在橋臺或擋土墻后填土的破壞棱體上引起的土側(cè)壓力，可按以下公式計算：

h=∑G/Bl0γ 《公路橋梁設計通用規(guī)范》

式中：γ—土的重力密度；

h—等待土層厚度；

∑G—布置在B×l0面積內(nèi)的車輪的總重力；

l0—橋臺或擋墻后填土的破壞棱體長度；

B—橋臺橫向全寬或擋土墻的計算長度。

在以往的設計中，筆者發(fā)現(xiàn)在計算蓋板涵臺后等待土層厚度h時，關于計算寬度B的取值存在一定的爭議，一類設計者認為汽車荷載等代土層計算時應按路面寬度進行取值，但大多設計者認為涵洞為暗結(jié)構(gòu)，汽車荷載是通過土體擴散至涵臺位置的，所以應等同于涵洞計算涵洞頂部汽車荷載壓力的計算方法，其寬度B應為車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布，擴散面積以最外側(cè)擴散線為準。筆者認為采用車輪著地擴散面積更接近實際受力情況，可以被大多設計者接受。但在計算分布寬度時，應考慮橫向布載系數(shù)對等代土層厚度計算的影響。表4是以4m蓋板涵為例，對應不同填土高度計算汽車荷載引起的等代土層厚度對比結(jié)果。

從以上計算結(jié)果可以看出，當考慮橫向車道布載系數(shù)影響時，采用雙車道計算的等代土層厚度最大，一般情況下采用雙車道計算基本滿足設計要求，但對于單車道的四級公路，采用雙車道進行計算就會造成材料浪費，故在進行蓋板涵計算時，對于車道布載系數(shù)的影響應進行充分的考慮。

2.2 計算簡化模型對臺身計算的影響

目前公路行業(yè)對蓋板涵臺身計算的簡化模型主要有兩種，一種是上端簡支、下端固接模型，臺身按上端與蓋板不可移動的鉸接、下端與基礎固接計算。另一種是上、下端簡支模型，臺身計算按上端與蓋板不可移動的鉸接、下端與支撐梁不可移動的鉸接計算。兩種力學簡化模型的荷載效應是不同的，所以計算結(jié)果偏差較大。為分析兩種計算模型的合理性，筆者分別對兩種簡化模型進行了對比分析計算。

(1)采用上、下端簡支計算模型，見圖1，其最大彎矩位于x0處，其計算公式如下：

μ=q1/q2

ν=(μ2+μ+1)0.5/3

x=(ν-μ)/(1-μ)×h

Mx=q2×h2/6×(2ν3-μ(1+μ))/(1-μ)2

(2)采用上端簡支、下端固接模型，見圖2，其最大彎矩為Mx0處和MA處的最大值，其計算公式如下：

μ=q1/q2

ν=((9μ2+7μ+4)/20)0.5

x=(ν-μ)/(1-μ)×h

Mx=q2×h2/6×(2ν3-μ(1+μ))/(1-μ)2

MA=-h2/120×(7q1+8q2)

以C30混凝土臺身計算為例。涵洞凈高取用4.0m，凈寬4.0m，上部蓋板支撐寬度取0.3m，采用不同計算模型的計算結(jié)果如下：

從計算結(jié)果可以看出，當采用上端簡支、下端固接模型進行計算時，臺身尺寸的計算結(jié)果相對較大。目前對于采用何種簡化模型對涵洞臺身進行計算也存在一定的爭議。筆者認為，計算簡化模型的采用應結(jié)合涵洞的基礎形式以及涵洞凈高的因素綜合確定。當涵洞采用分離式基礎時，如果涵洞的凈高遠大于基礎厚度，涵臺身主要受上部梁板和支撐梁的支撐作用，涵洞基礎的固接作用已經(jīng)不明顯，此時應采用上、下端簡支模型進行臺身結(jié)構(gòu)驗算。當涵洞采用整體式基礎時，基礎與涵臺身的固接作用較為明顯，此時涵臺身計算時推薦采用一端簡支、一端固接的簡化模型。

涵洞臺身計算的簡化模型應結(jié)合涵洞基礎對臺身固接作用的貢獻綜合確定，在保證涵臺身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎上，盡量較少臺身尺寸，避免不必要的工程浪費。

3 小結(jié)

蓋板涵作為公路主要的排水構(gòu)造物形式，加強公路蓋板涵結(jié)構(gòu)設計，采用合理的計算參數(shù)和計算模型對提高蓋板涵結(jié)構(gòu)安全至關重要。結(jié)合最新的公路行業(yè)規(guī)范，對涵洞計算影響較大的參數(shù)進行了分析對比，希望可以對提高公路構(gòu)造物結(jié)構(gòu)承載能力、保障公路行車安全提供參考。