箱涵設(shè)計(jì)中英文對(duì)比分析

何妙猜

（中鐵上海設(shè)計(jì)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(jí)道路與低等級(jí)道路的路線交叉及各等級(jí)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(jì)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(duì)涵身的影響、側(cè)向土壓力對(duì)側(cè)墻的影響、基底的支撐對(duì)涵底的影響等。

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

2 箱涵設(shè)計(jì)中英文規(guī)范荷載對(duì)比

2.1 移動(dòng)荷載作用

通常，對(duì)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(duì)于國(guó)內(nèi)規(guī)范的箱涵設(shè)計(jì)，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）第 4.3.1條規(guī)定，涵洞的設(shè)計(jì)采用車輛荷載進(jìn)行加載。由于箱涵計(jì)算通常采用一米長(zhǎng)度進(jìn)行建模，計(jì)算中需按整體單向板考慮車輛荷載的重疊效應(yīng)。對(duì)于根據(jù)英國(guó)規(guī)范 BS 5400 所進(jìn)行的涵洞設(shè)計(jì)中，涵洞計(jì)算采用的移動(dòng)荷載分為兩種，當(dāng)填土厚度小于 0.6m 時(shí)，采用 HA 荷載進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)填土厚度大于 0.6m 時(shí)，采用 30 倍的HB 替代 HA 荷載進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)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(gè)均布荷載和一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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?dòng)荷載值。

圖2 HB 荷載擴(kuò)散圖

2.2 移動(dòng)荷載所產(chǎn)生的土壓力

對(duì)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(dòng)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(guó)規(guī)范中，其計(jì)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(guó)規(guī)范中其計(jì)算公式為P = K · v，其公式基本形式和國(guó)內(nèi)規(guī)范計(jì)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(jì)算。

2.3 制動(dòng)力

對(duì)于國(guó)內(nèi)規(guī)范，但填土高度大于 0.5m 時(shí)，一般不考慮車輛荷載制動(dòng)力影響，小于0.5m 時(shí)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定考慮。

對(duì)于國(guó)外規(guī)范，當(dāng)填土高度小于 0.6m 時(shí)，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(shí)，采用 HB 荷載計(jì)算制動(dòng)力，制動(dòng)力的取值按 HB 荷載的25% 考慮，并考慮一個(gè)涵長(zhǎng)的折減系數(shù)。

2.4 溫度荷載

對(duì)于國(guó)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(duì)于埋深較深的涵洞通常不考慮溫度荷載作用。

英國(guó)規(guī)范中，當(dāng)涵洞寬長(zhǎng)比大于 0.2 且覆土厚度大于2m 時(shí)，或者涵長(zhǎng)大于3m 時(shí)，不考慮整體升降溫影響，當(dāng)涵洞寬長(zhǎng)比小于0.2 時(shí)，按下表1考慮溫度荷載：

表1 涵洞溫度計(jì)算參數(shù)表

2.5 箱涵內(nèi)水壓力荷載

對(duì)于水壓力，中國(guó)規(guī)范和英國(guó)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(duì)比分析

國(guó)內(nèi)規(guī)范中，箱涵的設(shè)計(jì)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(jì)和正常使用是極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，各荷載組合系數(shù)參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）進(jìn)行。

英國(guó)規(guī)范中，和國(guó)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(jì)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(jì)算對(duì)比分析

以一個(gè) 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(jì)算，為便于計(jì)算比較，采用相同的邊界條件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如下圖：

圖3 涵洞計(jì)算模型圖

經(jīng)計(jì)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(guó)規(guī)范下承載能力彎矩包絡(luò)圖

圖5 英國(guó)規(guī)范下承載能力彎矩包絡(luò)圖

圖6 中國(guó)規(guī)范下承載能力剪力包絡(luò)圖

圖7 英國(guó)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(duì)于頂板而言，支點(diǎn)處彎矩值相差較小，跨中彎矩值中國(guó)規(guī)范要偏大一點(diǎn)，對(duì)于底板而言則才有英國(guó)規(guī)范計(jì)算所得跨中彎矩值要比中國(guó)規(guī)范大一點(diǎn)。而對(duì)于側(cè)墻而言，中國(guó)規(guī)范計(jì)算所得彎矩值則要偏大一點(diǎn)。剪力值則中國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果整體要偏大一點(diǎn)。因此，但從受力來看，采用中國(guó)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的涵洞荷載的設(shè)計(jì)值與采用英國(guó)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)的涵洞的荷載設(shè)計(jì)值基本相差不大，但由于篇幅有限，本文僅對(duì)比了荷載的不同，未對(duì)承載力計(jì)算、裂縫計(jì)算、鋼筋應(yīng)力計(jì)算等的抗力系數(shù)及影響因子進(jìn)行對(duì)比分析，由于兩種規(guī)范對(duì)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(duì)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(guó)規(guī)范計(jì)算下，結(jié)構(gòu)的受力要比英國(guó)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(duì)于國(guó)外項(xiàng)目的箱涵設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于涵身的影響 較小，中國(guó)規(guī)范中基本不考慮該荷載的作用，而英國(guó)規(guī)范中，在填土厚度小于 2m 是考慮了溫度梯度對(duì)于結(jié)構(gòu)頂板的影響，經(jīng)計(jì)算其 影響較小。