淺談高速公路蓋板涵洞的設計

仵衛東

隨著我國經濟的快速發展和高速公路的大量建設，蓋板涵以其剛度較大，變形較小、構造簡單、造價低等很多優點，在全國范圍內得到了廣泛的應用。本文針對蓋板涵，運用現行規范的設計理論與計算方法進行了設計，并提出一些自己的見解。

本文以忻保高速公路K188+774.0蓋板涵洞設計為例進行論述。

1 設計標準

1)汽車荷載:公路—Ⅰ級;2)設計洪水頻率:1/100;3)地震基本烈度:6度;4)地震動峰值加速度為0.05g;5)布載寬度為20 m; 6)涵頂填土高度為3.6 m，蓋板單側擱置長度為30 cm，凈跨徑為4 m，蓋板厚度為37 cm，具體尺寸如圖1所示;7)土容重為18 kN/m3，蓋板容重為25 kN/m3，基底實測承載壓應力為280 kPa。

2 設計規范

1)中華人民共和國交通部標準JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范;2)中華人民共和國交通部標準JTGD61-2005公路圬工橋涵設計規范;3)中華人民共和國交通部標準JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范;4)中華人民共和國交通部標準JTG D63-2007公路橋涵地基及基礎設計規范。

3 基礎埋置深度

根據當地冰凍深度要求，小橋涵的基礎埋置深度均在1.75 m以下。

4 結構計算

4.1 蓋板計算

1)恒載內力計算。

系數取值:K=1.228 952;

恒載產生的支座剪力 V恒=(q土+q自)×凈跨徑/2= 178.037 6 kN;

恒載產生的跨中彎矩M恒=1/8×(q土+q自)×(計算跨徑)2= 205.744 7 kN·m。

2)活載計算。

設計荷載等級:公路一級;

布載寬度20 m。

用動態規劃法求得設計荷載作用下蓋板上產生的最大彎矩和剪力:

沖擊力系數U=0;

最大彎矩M設=M設×(1+U)=30.532 51×(1+0)= 30.532 51 kN·m;

最大剪力V設=V設×(1+U)=26.420 77×(1+0)= 26.420 77 kN。

3)荷載組合。

a.承載能力極限狀態效應組合:

b.正常使用極限狀態效應組合:

短期組合Msd=M恒+0.7×M設=227.117 5 kN·m;

長期組合Mld=M恒+0.4×M設=217.957 7 kN·m。

4)構件計算。

a.正截面強度計算:

截面有效高度h0=33 cm;蓋板寬度b=100 cm;蓋板抗壓強度fcd=13.8 MPa;鋼筋抗拉設計強度fsd=280 MPa。

按JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第5.2.2-1和5.2.2-2公式，計算最小鋼筋截面積As。

由r0×Md≤fcd×b×x×(h0-x/2)，可得x;

由fsd×As=fcd×b×x，可得As;

x=63.3≤ξb×h0=184.8，截面受壓高度符合要求。

根據計算需要受拉鋼筋的最小截面積As=3 120.517 mm2，

在涵洞中設計的受拉鋼筋的截面積Ar=4 712.389 mm2，

實際鋼筋截面積Ar=4 712.4 mm2≥最小鋼筋截面積As= 3 120.5 mm2，正截面強度滿足要求。

b.斜截面強度計算:

由JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第5.2.9條計算:

0.51 ×10-3×sqr(fck)×b×h0=921.8 kN＞r0×Vd=225.6 kN，因此截面尺寸滿足要求。

5)裂縫驗算。

符合JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范第6.4.2條規定。

4.2 涵臺計算

1)設計荷載作用下的內力計算:

計算水平土壓力產生的彎矩:

涵臺基礎距路面高度H=8 m;破壞棱體長L=4.66 m;荷載布置寬度為20 m;布載長度為4.66 m;等代土層為0.65 m。

涵臺剪力Qa=土容重×(蓋板厚度+蓋板距路面高度+等代土層)=27.75 kN;

涵臺剪力Qb=土容重×(H+等代土層)=52.35 kN;

涵臺高度h1=333 cm;支座處的反力:Ra=(2×Qa+Qb)× h1/659.862 kN，Rb=(Qa+2×Qb)×h1/673.5 kN。

最大彎矩發生位置Xmax=1.75m;最大彎矩Mmax=55.66 kN·m。

計算垂直力產生的彎矩與剪力:

總剪力P=262.2 kN;

總彎矩M=-26.4 kN·m;

組合總彎矩Mj=46.243 46 kN·m，總剪力Nj=314.6 kN;

e0=Abs(Mj/Nj)，Mj=46.243 46 kN·m，Nj=314.634 9 kN;

偏心距e0=0.15 m≤0.3 m，滿足要求。

rw=0.289×涵臺頂寬度/2/100=0.14 m;

hw=涵臺頂寬度=100 cm;

b=1×(涵臺高度-蓋板厚度)/hw=3.33 cm;

臺身抗壓強度=14.5 MPa，ym=2.31;

tNj=a×涵臺頂寬度/100×1×臺身抗壓強度 ×103/ym= 3 085.061 kN。

按荷載效應函數計算得出的縱向力=3 085.061 kN＞Nj=

314.634 9 kN，所以涵臺強度滿足要求。

按荷載效應函數計算并考慮縱向彎曲系數得出的縱向力= 3 069.19 kN＞Nj=314.634 9 kN，所以涵臺穩定性滿足要求。

2)基底應力驗算:

P總=496.661 6 kN，M總=33.49 kN，a=基礎底寬×1/100= 2.2 m，W=1×(基礎底寬)2/6/10 000=0.8;

地基應力δmax=P總/a+M總/W=267.27 kPa;

地基應力δmin=P總/a-M總/W=184.23 kPa;

基底產生最大應力為δmax=267.27 kPa，小于基礎實測承載力280 kPa，滿足要求。

5 結語

原先蓋板涵的設計適用前提是填土高度小于7.5 m，蓋板的尺寸和配筋的確定均以參照通用圖為準。一般情況下高填涵采用鋼筋混凝土拱涵，但是鋼筋混凝土拱涵造價較高，施工復雜，且容易開裂。隨著新規范的實施以及高填土涵洞的不斷出現，在保證安全經濟的情況下我們對涵洞蓋板結構也進行了重新設計和驗算。目前，蓋板涵已經突破到填土高度20 m，蓋板的配筋也越來越復雜，設置了縱向彎起鋼筋(見圖2)，在填土高度小于或者等于20 m范圍內可以完全替代鋼筋混凝土拱涵。因此，在保證設計質量的前提下，蓋板涵的應用會越來越廣泛。

［1］ 趙 亙，李 勃.現行規范下蓋板涵蓋板的結構計算方法［J］.黑龍江科技信息，2008(20):66-67.

［2］ 重慶海特科技發展有限公司.PCVX公路涵洞CAD［Z］. 2005.