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(shè)計公司 沈陽市 100166)

蓋板暗涵是公路設(shè)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)計規(guī)范》(土柱法)

qv=Kγh 《公路涵洞設(shè)計細(xì)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(shè)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(shè)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(yīng)處理時，則應(yīng)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(shè)計通用規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)布置一條車道汽車荷載時，應(yīng)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(rèn)為，新規(guī)范中關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(guān)于計算寬度B的取值存在一定的爭議，一類設(shè)計者認(rèn)為汽車荷載等代土層計算時應(yīng)按路面寬度進行取值，但大多設(shè)計者認(rèn)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)。筆者認(rèn)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(shè)計者接受。但在計算分布寬度時，應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(shè)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(yīng)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(chǔ)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(xué)簡化模型的荷載效應(yīng)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(dāng)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(rèn)為，計算簡化模型的采用應(yīng)結(jié)合涵洞的基礎(chǔ)形式以及涵洞凈高的因素綜合確定。當(dāng)涵洞采用分離式基礎(chǔ)時，如果涵洞的凈高遠大于基礎(chǔ)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(chǔ)的固接作用已經(jīng)不明顯，此時應(yīng)采用上、下端簡支模型進行臺身結(jié)構(gòu)驗算。當(dāng)涵洞采用整體式基礎(chǔ)時，基礎(chǔ)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(yīng)結(jié)合涵洞基礎(chǔ)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(chǔ)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(shè)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(guān)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。