| 标题 | 拱涵计算过程及设计方法浅析 |
| 范文 | 张素喜 【摘 要】本涵洞为鄂尔多斯东胜区公园大道道路工程的一道拱涵，涵洞净跨径为4m，涵洞轴线与道路前进方向右侧夹角为90°。论文主要介绍了涵洞的计算过程及设计方法，简单介绍了拱涵施工过程中的一些注意事项。 【Abstract】This culvert is an arch culvert of the Gongyuan Dadao road in Dongsherg district of Erdos， the net span of the culvert is 4m， and the angle between the axis of the culvert and the forward direction of the right road is 90°. This paper mainly introduces the calculation process and design method of culvert， and briefly introduces some matters needing attention during the construction of arch culvert. 【关键词】高填土拱涵；拱涵设计计算；减荷措施 【Keywords】high fill arch culvert； design and calculation of arch culvert； load reduction measures 【中图分类号】U449.1 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）08-0193-02 1 引言 近几年山区公路建设的飞速发展，对道路线行的要求，深挖高填的现象不可避免地出现，高填路堤也逐渐增多。拱涵便适应于这种高填土路基，可以跨越深沟，还具有大量利用挖方减少弃方等优势。公园大道在K0+400处的填土高度高达11.9m，综合考虑在此处设置一道钢筋混凝土拱涵，其净跨径为4m，涵高1.83m，涵长90.23m。 2 拱涵平面、立面设计 考虑到路线在跨越主要排、灌沟渠时，根据实地调查的有关资料及地方要求，结合道路边坡排水及道路下雨水管道的设置情况，综合考虑布设涵洞。根据地基承载力、填土高度及流量大小选用钢筋混凝土拱涵，其桩号为K0+400。为了更直观地了解本项目的设计方案，拱涵的平面、立面图如图1。 2.1 拱圈的计算 拱涵的拱圈应按《公路圬工桥涵设计规范》（JTG D61）的规定进行承载能力极限状态的承载能力（正截面强度）、稳定性验算。拱涵的拱圈宜按无铰拱计算，其矢跨比不宜小于1/4，拱涵可不考虑曲率、剪切变形、弹性压缩、温度作用效应和混凝土收缩效应。拱圈采用C30混凝土，厚度为50cm，拱圈所承受的恒载主要有：拱顶填土的竖向压力、拱圈自重以及填土所产生的水平方向的压力、拱脚与拱顶间倒圆弧竖向填土压力。活载主要包括各活载所产生的水平压力和竖向压力。拱圈的计算过程简化如下： ①计算恒载引起的内力，全跨按均布荷载计算 拱顶填土压力=土容重×填土高度=214.2kN ②倒圆弧荷载 拱脚与拱顶填土压力差=拱背填料容重×（计算矢高+拱圈厚度 / 2 - 拱圈厚度 / 2×Cos（ψ0））=31.18kN ③拱圈自重 拱圈自重=拱圈容重×拱圈厚度=12.5kN ④双侧水平力 拱顶恒载水平推力=土容重 × 填土高度×Tan（45 / 180 ×PI - Parm.土内摩擦角 / 180 × PI / 2） ^ 2=72.14kN 经过汽车荷载组合、挂车荷载组合验算后，在拱顶产生的水平力、左拱脚产生的水平力及竖向力、右拱脚产生的水平力及竖向力均满足强度及纵向稳定性的要求。 2.2 涵台强度及稳定性的验算 涵台的具体参数如下：净跨径4m，涵台高度2.5m，填土高度11.9m，涵台采用M7.5浆砌MU40块石，台顶宽度1.2m，台背坡度4：1，采用整体式基础，基础厚度为1.0m，襟边宽度为0.7m.拱涵台身按偏心受压构件验算，计算偏心距e≤0.6s，在本项目中偏心距=B/2-Mjc/Nj=0.17m，容许偏心系数=0.5，E根据可能同时出现的作用荷载进行组合验算，主要考虑组合Ⅰ和组合Ⅲ，台身强度和稳定性验算、台口抗剪强度验算、抗倾覆安全系数、抗滑稳定性安全系数均满足要求。 3 高填土拱涵基础的选择 涵洞的基础分为整体式基础和分离式基础两大类。对于高填土的拱涵来说，一般选择整体式基础。由于高填土拱涵本身就要承受涵顶上部土压力的重量，对涵底地质要求很高，结合东胜区内地质构造简单，断层不发育等地质构造，本项目拱涵采用整体式基础。采用整体式基础对于提高基础地面地基土的承载力效果非常显著，能有效地减小由弯矩引起的基底应力，提高地基土的承载力，还可以防止地基不均匀沉降、拱脚位移和局部破坏等不利影响，而且有利于施工的控制。举例说明，在其他条件不变的情况下，拱顶填土在大于10m时，整体式基础的基底应力在320～510kPa之间，在同样条件下的分离式基础的拱涵相比，基底土的承载力可提高30%～40%。 在实际的计算中，我们往往会发现高填涵洞的基底计算应力会比地勘报告所提供的地基承载力大一些，但此计算应力并不是控制设计的主要因素，关键是我们如何对地基进行处理，如何尽可能地保证地基的均匀性和稳定性，避免基础产生不均匀沉降，故而要增加台背回填土的压实度，加强施工过程中管理，严格按照规范设计中规定的施工流程和施工工艺，提高施工质量。在具体的施工项目中，涵洞的基础也会发生一定的沉降，但这是微小的，均匀的，沉降量应满足规范要求，在规范要求范围内的沉降量都是工程允许的。 4 高填土拱涵减荷措施 首先我们先来分析一下拱涵顶土压力的作用方式，涵顶覆土的垂直压力与其两侧填土的压力，两侧之间产生相互的摩擦力。这个摩擦力的方向取决于涵顶覆土垂直压力和两侧填土压力的大小，若涵顶覆土垂直压力大于两侧填土压力，则产生的摩擦力向下，这也是马斯顿及国内许多部门所证实的“等沉陷”理论。所以在涵洞结构设计时，应认真考虑涵洞洞顶垂直土壓力的影响因素，确保计算结果更接近实际的受力情况。 根据涵顶土压力的理论分析，通过一些工程措施和方法，可以达到减小结构物上土压力的目的。在高填土作用下，考虑采取减荷措施，保证涵洞结构的安全性、减少裂害的有效途径。减荷措施的工作原理就是采取有效措施，减小涵顶内外（即涵顶垂直土压力和涵顶两侧填土压力）土柱间沉降差，甚至产生负的沉降差，使外土柱对内土柱产生向上的附加摩擦力，也就是说外土柱与涵洞共同承担涵顶土柱压力，达到降低涵顶垂直土压力值的减荷效果，充分利用“土拱效应”，沉降对涵洞起到一定的卸荷作用。这样看来，在洞顶铺填减荷材料（压缩性大于填土的柔性材料）层，不仅减压效果最佳，还可以大大减小涵顶垂直土压力，也就减小了涵洞与填土之间的沉降差，还可以通过改变涵洞轴线方向的减荷材料层厚度，调整洞轴向垂直土压力分布不均，从而也减小了洞身轴向的不均匀沉降。 5 总结 涵洞的形式多样，不同的涵洞形式对工程造价、施工工艺等各项指标的要求差别也很大，所以要因地制宜选择合适的涵洞类型及洞口形式。拱涵作为高填土涵洞应用广泛一种涵洞形式，有其自身很多优越的地方，比如拱形式选择的多样性，不同材料的拱其外观也有很大差别。拱的造型美观，一座合理的、舒适的、安全的拱涵，也将会成为当地一道美丽的风景线。当然，在结构计算及方案设计中，我们要做到以下几点：①尽量减少填土的高度，换句话说合理的布置涵洞尽量抬高涵底高程；②涵洞的结构形式宜优选钢筋混凝土拱涵，拱圈要全涵配筋，根据填土的高度和结构计算结果确定结构的尺寸；③计算参数应尽量接近实际的受力情况，合理的计算模型是保证结构安全的重要前提；④涵底高程的设计既要考虑涵底纵坡的需求，也要考虑到基础不可避免的微小沉降量，充分利用减荷措施来减小涵顶垂直土压力。 |
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