對多孔箱涵型式水閘的交通橋內力計算思考

朱 磊

（宿州市水利水電建筑勘測設計院 宿州 234000）

對多孔箱涵型式水閘的交通橋內力計算思考

朱 磊

（宿州市水利水電建筑勘測設計院 宿州 234000）

通過對帶有交通橋功能無覆土箱涵式水閘閘室的內力數值定性分析，得出汽車活荷載對閘室內力效應具有決定作用，但因其閘室結構使用功能的多重性，要準確把握設計結果尚有難度。本文提出閘橋柔性過渡結合的幾點思考，以供此類工程設計及施工借鑒。

箱涵 橫向分布系數 水閘交通橋 柔性組合

多孔整體式箱涵式結構是目前中小型水閘設計較常采用的一種結構類型。因箱體結構具有較大的縱橫向剛度，有較強的抗變形能力，且適應軟土地基的多方面要求等諸多優點，使用較為廣泛。

1 問題的提出

閘室段箱涵橫向內力分析及計算模型簡化：簡化成超靜定平面桿系結構（單位寬度）單元，計算內力。箱涵結構因縱向剛度較大，在一般情況下，縱向內力基本不起控制作用，只對橫向結構計算模型下汽車荷載內力進行分析計算。汽車荷載對箱涵效應影響可大致分兩種：一是有較厚覆土涵洞式箱涵，覆土越厚，活載擴散效應越明顯，其傳遞到箱涵越少，由其引起的箱涵效應占總比例較少，不起控制作用。二是無覆土有交通橋功能箱的涵則不同，可變荷載直接作用在箱涵頂板上，對閘室尤其頂板局部效應影響比較大。為確保閘室結構在使用壽命期限內的安全性，須較準確地計算箱涵與局部整體板所承擔的最大活載內力情況。

皖北平原多數水閘不僅擔負擋水、泄洪等任務，兼有公路交通橋功能，整體式箱涵結構水閘其交通橋部位承受汽車荷載作用。其取值依據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）4.3.1條。公路荷載分為公路Ⅰ、Ⅱ級，與之對應，且有車道荷載與車輛荷載之分。水閘箱涵結構引入公路汽車荷載計算分析時分為兩種情況：一是箱體框架整體計算，此時其頂板應施加均布荷載與集中荷載組成的車道荷載；二是局部計算，此時則應施加車輛荷載。整體水閘箱涵計算屬于第一種情況。

中小型水閘相關書籍介紹汽車荷載在其固結整體連續板交通橋分布及計算實例較少，且橋梁相關書籍對水閘箱涵式結構可變荷載分布及內力的計算實例也介紹甚少。水閘與橋梁兩種使用功能截然不同的建筑物無過渡的直接組合拼接（僅代表部分建筑物），造成了這些中小型水閘兼交通橋復合結構（整體式箱涵結構閘室結構）計算的難點。中小型箱涵水閘交通橋（一般雙車道）計算中先進行板梁計算單元簡化，則單元板梁分擔的橫向荷載=汽車荷載標準值×橫向分布影響系數×橫向車道布載系數（雙車道一般取1.0）。這里要引入荷載橫向分布系數的概念：所謂荷載橫向分布系數（Lateral Distribution Factor ofLive Load）是專指公路車輛荷載在橋梁橫向各主梁（板）間分配的百分數。荷載橫向分布理論在橋梁設計中占有重要地位，目前橋梁荷載橫向分布系數常用的計算方法主要有杠桿原理法、偏心壓力法（修正偏心壓力法）、鉸接板（梁）法、剛接梁法和比擬正交異性板法（G-M法）等。

2 實例說明

圖1 7號閘室單元計算簡圖

現以某水閘一聯三孔箱涵閘室結構為例定性說明車道荷載在其交通橋上分布及作用結果。設計參數：場地地震基本烈度為6度，閘基持力層為粉質砂壤土、飽和重度20kN/m3，滲透系數1x10-5cm/s，內摩擦角計算取值30°，彈性模量20MPa，泊松比0.3，閘室鋼筋混凝土標號C25，底板高程0，上游蓄水位4.00，下游水位0，交通橋汽車荷載公路Ⅰ級。7號閘室單元計算簡圖見圖1。

圖1簡化單元為具有代表性的7號單元，為了簡化工序，習慣上以此單元計算結果作為其他單元設計控制條件。值得注意的是，混凝土構件內力設計值計算時，《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008）與《公路橋涵設計通用規范》（JTG 60-2015）中關于構件承載力極限狀態下，永久荷載與可變荷載分項系數取值不同，《公路橋涵設計通用規范》（JTG 60-2015）規定較大：永久荷載1.2，可變荷載1.4，因本文著重點主要介紹水閘交通橋車道荷載內力影響，故取大值。

為簡化計算，汽車沖擊荷載取車道荷載標準值0.1倍；汽車制動力不考慮（兩側填土約束影響）；箱涵頂板汽車橫向荷載分布系數按簡支整體連續板（偏保守）經驗公式：

式中：v—不均勻系數，取1.05；

k—車道數；

n—簡化單元數。

計算得m=0.263。此次取正常蓄水期+車道荷載工況，分別利用Autobank7.51程序對7號簡化單元進行內力計算分析，其彎矩設計值（kN·m）如圖2。

程序計算結果顯示：頂板受車道荷載影響最大，施加車道荷載后頂板跨中正彎矩較之前增大4～5倍，負彎矩增大2～3倍；底板受車道影響次之，施加車道荷載后底板跨中正負彎矩較之前增大1.25～1.5倍；邊墩與中墩受車道影響最小（凈高6.8m），其在0.8～1m厚構造尺寸及最小配筋率下，其車道活載影響可以忽略不計。

上述分析中，雖然車道荷載取值（固結連續整體板）僅由經驗公式得出，但計算結果也具有導向作用。由此可知，水閘與交通橋相結合的無覆土箱涵閘室結構的設計中應注意：車道荷載效應影響起著決定性作用，對不同部位的影響度對比相差成倍數關系，設計人員依據的現行設計規范往往也帶有個人取舍傾向，造成此種水工建筑物設計的相對復雜性。根據計算結果，在滿足水閘擋水、過水基本功能前提下，按其構造尺寸進行配筋設計，交通橋板、底板及墩墻配筋率相差很大；為節約建材并充分發揮材料強度優勢，各構件設計宜區別對待，例如頂板等高配筋率構件應提高材料等級或頂板直接簡化引用相應板梁圖籍。

圖2 7號簡化單元內力計算彎矩設計值簡圖（kN·m）

3 結語

（1）整體箱涵結構適用上部有較厚覆土情況，覆土既減少了結構溫度應力，同時又分散上部傳來的汽車活載，使其不成為設計控制因素。

（2）中小型水閘在一定情況下可采用無覆土整體箱涵結構，但應充分考慮遠近期汽車荷載作用，或舍去交通橋功能，僅其發揮單一擋水過水作用。

（3）大中型規模水閘與交通橋結合構造上應采用柔性過渡結合方式，從而分開建立結構計算模型，為方便設計人員應用不同行業設計規范，提供清晰明朗的選擇。

（4）柔性過渡結合方式：設計為帶有柔性橡膠支座的板梁結構，保證交通橋底板基礎為剛性基礎；水閘前（后）直接毗鄰設置單體交通橋，并利用水閘邊墩構件作單體交通橋橋臺等；利用堤防作為引橋。有效的閘橋柔性過渡結合體既可以提高工程普遍適用性，又大大提高了工程使用效率■