汽車荷載對埋地管線壓力的簡化計算

何齊書，左超，2，尹長光，武月梅，2，劉安強

（1.新興鑄管股份有限公司，河北 邯鄲056300；2.河北省球墨鑄鐵管工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲056300）

1 汽車荷載對覆土層下物體壓力概述

影響汽車對管線頂部等效均布荷載的主要因素有動力系數(shù)和覆土層厚度。

1.1 動力系數(shù)

汽車荷載是指通過交通工具輪胎壓力作用在如公路、橋梁等構(gòu)筑物上的動力荷載。根據(jù)土壤或者填充物本身構(gòu)成和厚度的不同，可以分開來考慮其對構(gòu)筑物的有益作用。當(dāng)土壤或者填充物較為松散或者厚度較薄時，一般不作為有益于構(gòu)筑物承受載荷的因素；當(dāng)土壤或者填充物較為密實、強度高或者具有一定厚度時，可以引入動力系數(shù)對其作用進(jìn)行量化計算。此外，當(dāng)厚度超過一定值以后，輪胎壓力的荷載基本可以認(rèn)定為通過填充物得到了充分的緩沖和擴散，此時，動力系數(shù)可取值為1.0。GB 50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中列出了參考的車輛荷載已經(jīng)考慮了荷載的動力系數(shù)（見表1），可以直接使用。

1.2 覆土層厚度

構(gòu)筑物頂部的填充物對車輛輪胎壓力可以進(jìn)行擴散。隨著填充物厚度增加，車輛輪胎壓力擴散愈加充分，在這種機制下，車輛輪胎壓力隨著深度的增加，其壓力經(jīng)過擴散以及交替和重疊后，在某一深度平面內(nèi)，壓力近似均勻分布，該填充物深度數(shù)值可以參考工程經(jīng)驗來取值，也可以按照車輛后軸輪胎壓力的擴散面積大于或者等于按照車輛負(fù)重比例劃分的車輛投影區(qū)域面積來確定。

2 計算模型及相關(guān)公式

2.1 單個輪壓的作用模型

單個輪壓作用到管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，按照GB 50332—2002《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]，其傳遞模型如圖1所示，地面汽車荷載傳遞到埋地管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值公式為：

式中，qvk為輪胎壓力作用到管頂?shù)呢Q向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；Qvi,k為車輛的i個車輪承擔(dān)的單個輪壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN；ai為i個車輪的地面接觸長度，m；bi為個車輪的地面接觸寬度，m；μd為動力系數(shù)，可按表1采用；H為車輛輪胎接觸的地面直管頂?shù)母叨龋琺。

圖1單個輪壓的傳遞分布圖

2.2 2個以上單排輪壓綜合作用模型

2個以上單排輪胎壓力綜合影響作用至管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，其計算模型如圖2所示，計算公式見式（2）：

式中，n為車輪的總數(shù)量；dbj為沿車輪著地分布寬度方向，相鄰2個車輪間的凈距，m。

圖2 2個以上單排輪壓綜合影響的傳遞分布圖

2.3 多排輪壓綜合作用模型

多排輪壓綜合影響作用至管道頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，可按式（3）計算：

式中，ma為沿車輪地面接觸寬度方向的車輪排數(shù)；mb為沿車輪地面接觸長度方向的車輪排數(shù)；daj為沿車輪地面接觸長度方向，相鄰2個車輪間的凈距，m。

3 計算實例

從以上計算模型可以推測出，當(dāng)填充物厚度達(dá)到一定值，輪胎壓力擴散程度足夠時，車輛輪胎壓力荷載可以等同為均布荷載[2，3]。對于一級公路與二級公路，汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其荷載布置按照J(rèn)TG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。考慮到安全因素，并排停放或者行駛的車輛，同步經(jīng)過管道上方地面為例，車輛重量級別為550kN級，如圖3所示。

假設(shè)車輛安全間距為每側(cè)0.6m，汽車在路面投影面積為（15m+0.6m）×（2.5m+0.6m）=48.36m2；車輛后部軸車輪壓力與整車重量的比值為280kN/550kN=0.51；計算后部軸車輪壓力的擴散面積0.51×48.36m2=24.66m2。

根據(jù)后部軸車輪壓力的擴散面積應(yīng)大于或者等于按照車輛負(fù)重比例劃分的車輛投影區(qū)域面積的原則，即：

則：h≥2.27m，此時可確定為填充物厚度達(dá)到了可認(rèn)定為均布載荷的厚度，車輛合理投影范圍內(nèi)的平均重量為550kN/48.36m2=11.4kN/m2。

圖3足夠的覆土層厚度計算示意（單位：m）

按照圖1所示的汽車荷載布置形式及計算模型可以計算出重量為550kN的車輛在不同覆土厚度時對覆土層下管道頂部的豎直壓力大小，如表2所示。

表2 550kN對不同覆土厚度管頂?shù)呢Q直壓力

4 結(jié)論

通過對汽車荷載對覆土層下管道頂部豎直壓力的計算模型的建立，按照一級、二級公路的汽車荷載形式，完成了汽車載荷對管頂壓力的近似計算，為管線過路的相關(guān)計算提供了參考。