关于垂直穿越公路的整体浇注箱涵设计的几点思考

关于垂直穿越公路的整体浇注箱涵设计的几点思考

1按功能分区分箱销是一种广泛应用于市政给排水工程和道路工程的结构形式。按其使用功能可分为输水箱涵、公路桥涵、保护性箱涵3种,按结构形式可分为整体浇注式和顶板分离式,按箱涵有无内水压力又可分为无内压箱涵和有内压箱涵,按施工方式分有开挖法和顶推法2种。本文主要讨论垂直穿越公路的整体浇注箱涵结构设计中几点问题。2通用标记箱销的设计方法和计算模型2.1荷载的范围及标准目前国内箱涵的设计依据规范主要有公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)、城市桥梁设计荷载标准(CJJ77-98)、公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62-2004)。前两个规范主要用于箱涵的荷载计算,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范主要用于结构的内力计算、承载能力极限状态和正常使用极限状态的计算。从适用范围来区别,公路桥涵设计通用规范适用于新建和改建的各级公路桥涵的结构设计,城市桥梁设计荷载标准适用于在城市内新建、改建的永久性桥梁和城市高架道路结构以及承受机动车辆荷载的其他结构物的荷载设计。经对比得出:两者在荷载的取值方法和计算方法上基本相同,主要区别在于汽车荷载和人群荷载取值大小不同。汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成,车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。桥梁结构的整体计算采用车道荷载,桥梁结构的局部加载、涵洞、桥台和挡土墙土压力等计算采用车辆荷载。车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加。公路桥涵设计通用规范规定汽车荷载分为公路-Ⅰ级(相当于原规范的汽车超-20级)和公路-Ⅱ级(相当于原规范的汽车-20级两个等级。公路-Ⅰ级别和公路-Ⅱ级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值,即5轴550kN加载汽车(单车的前后轴重与原规范的汽车-超20级加重车相同)计算图式。城市桥梁设计荷载标准规定汽车荷载分为城-A级和城-B级两个等级,城-A级为5轴700kN货车加载;城-B级为3轴300kN货车加载。由此可见:公路箱涵的汽车荷载计算采用5轴550kN的车辆荷载,城市道路箱涵应根据等级分别取5轴700kN和3轴300kN的车辆荷载。2.2弹性地基框架箱涵一般取1m箱带进行计算,单孔箱涵采用“□”框架,双孔箱涵采用“□□”框架。闭合框架可用连杆法计算弹性地基框架,求解不同地基条件下的等截面或变截面框架。鉴于箱涵的高度和宽度一般都<5m,其底板刚度较大,地基反力近似均布荷载施加于箱涵底面。箱涵在内力计算时,截面的惯性矩按全部断面计算,不考虑因受拉而开裂部分断面的影响。3设计通用规范小跨度箱涵的荷载作用分为永久作用、可变作用和偶然作用。各种作用的计算方法见公路桥涵设计通用规范和城市桥梁设计荷载标准。本文只介绍公路桥涵设计通用规范(以下简称规范)中土侧压力、车辆荷载和车辆荷载引起土的侧压力计算。依据城市桥梁设计荷载标准设计的城市道路箱涵的荷载的计算也可以参照此方法计算。3.1土的侧压力规范提出了两种土侧压力的计算公式:静土压力公式和主动土压力公式。规范明确指出:在计算倾覆和滑动稳定时,墩、台、挡土墙前侧地面以下不受冲刷部分土的侧压力可以按静土压力计算,其余土的侧压力按主动土压力计算。作用于箱涵的侧向土压力与箱涵的刚度、埋置方式及填土性质等有关,对于刚性箱涵,处于箱涵两侧的填土可近似地认为对箱涵产生主动土压力作用。3.2中间车轮对箱涵顶作用的均布值规范4.3.4条第2点规定:计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时,车轮按其着地面积的边缘向下做30°角分布。当几个车轮的压力扩散线相重叠时,扩散面积以最外边的扩散线为准,现举例说明车辆荷载引起土的竖向压力的计算方法。外尺寸为L×h的箱涵垂直穿越公路,箱涵顶覆土厚度为H,箱涵顶的车辆荷载为3轴2(P1+P2+P3)kN的载重汽车。轴距为(D1+D2)m,车辆轮距为1.8m,横向布置的两车辆相临轮间距为1.3m,车辆轮胎着地宽度及长度为a×bm。计算中间车轮对箱涵顶作用的均布竖向压力Pcr2kN/m2。见图1。由图1可计算出:上式即为中间车轮对箱涵顶作用的均布竖向压力值。同理可算出另外两个车轮的扩散面积S1×T1和S3×T3(T1=T2=T3),得到则箱涵顶面由车辆荷载引起的土竖向压力均布值Pcr按下式取值:Pcr=max(Pcr1,Pcr2,Pcr3)。根据上面的计算可知:由箱涵顶部的车辆荷载引起的土竖向压力均布值随着埋深的加大逐渐减小,当超过一定值以后,就可以取恒定的均布值。3.3善涵顶与两侧路面衔接规范4.3.4条第一点规定:车辆荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力,可按下式换算成等代均布土层厚度h计算:式中:γ为土的重力密度,kN/m3;ΣG为布置在B×l0面积内的车轮的总重量,kN;l0为破坏棱体的长度,m;B为桥台横向全宽或挡土墙的计算长度,m。箱涵在施工验收完后回填时,为了减少箱涵两侧填土的沉陷量,以改善涵顶与两侧路面衔接的平顺性,在箱涵两侧一般用内摩擦角>35°的砂性土或砂砾石回填。根据土力学理论,无黏性土的滑动破裂面可近似看作平面,因此箱涵两侧的破坏棱体是个三角棱体,通过计算破裂面与箱涵竖壁之间的夹角(大小与填土的内摩擦角、箱涵壁与填土间的外摩擦角大小有关)可计算出l0,进而计算出h,然后将h厚的土的重量乘以土的侧压力系数后,作为均布可变荷载作用于箱涵的一边侧壁。上面的计算方式是考虑到两侧填土是砂性土,砂土破裂面是个由箱涵底面开始向上延伸的平面。但是如果箱涵两侧是黏性土,则其破裂面是个曲面,破裂体不是个棱体,但在实际计算时仍将黏性土的破裂体看作棱体,这样原公式仍然适用。上述的计算方法略显复杂,箱涵计算时大多还是采用以下公式计算由车辆荷载引起的土侧压力q1:q1=Pcr×K0式中:Pcr为箱涵顶由汽车荷载引起的土竖向压力值;K0为土的侧压力系数。由车辆荷载引起的土的侧压力应为梯形荷载,但是由于此侧压力和土体自重产生的侧压力相比是很小的,所以在实际计算时,一般将汽车荷载引起的土的侧压力看作均布活荷载。需注意的是:此均布活荷载是施加于箱涵一边侧壁的,为了保持箱涵的静力平衡,需在另一边侧壁对称布置荷载。4高承载单元的确定荷载作用计算完成后,就可将各种荷载作用施加于刚架计算模型,通过结构静力计算手册,可以算出各种荷载作用下刚架的内力,然后进行叠加就可得到最后的内力图。随着计算机应用的普及,也可以采用SAP2000和ANSYS等有限元分析软件进行内力分析。以SAP2000计算为例,在计算时底板、侧壁和顶板都是作为面截面中的壳单元输入计算模型的,考虑到地基土和底板的共同作用,在底板的底面施加一个面弹簧(弹簧刚度一般取土壤刚度的2~4倍),此时地基反力不需要再输入计算模型。另外还需要指定面单元的自动边束缚并进行网格划分,然后再定义荷载工况和设计组合,并输入各种荷载,最后即可定义分析工况并进行计算分析,查看计算结果得到各种组合下面单元的应力图。内力计算完成后,就可以进行承载能力极限状态和正常使用极限状态计算。在计算时需要注意以下几点:(1)顶板、底板以及侧墙按偏心受压构件配筋,其中底板和顶板也可按受弯钢筋配置钢筋(不计轴向力影响)。(2)顶板及底板的抗剪校核,因为在覆土很厚的情况下,板厚是由剪力决定的,或可采用板内配置弯起筋的方式加强抗剪。(3)顶板的覆土厚度<0.5时,应考虑车辆的冲击系数。(4)设计规范应采用