浅谈高速公路盖板涵洞的设计

仵卫东

随着我国经济的快速发展和高速公路的大量建设，盖板涵以其刚度较大，变形较小、构造简单、造价低等很多优点，在全国范围内得到了广泛的应用。本文针对盖板涵，运用现行规范的设计理论与计算方法进行了设计，并提出一些自己的见解。

本文以忻保高速公路K188+774.0盖板涵洞设计为例进行论述。

1 设计标准

1)汽车荷载:公路—Ⅰ级;2)设计洪水频率:1/100;3)地震基本烈度:6度;4)地震动峰值加速度为0.05g;5)布载宽度为20 m; 6)涵顶填土高度为3.6 m，盖板单侧搁置长度为30 cm，净跨径为4 m，盖板厚度为37 cm，具体尺寸如图1所示;7)土容重为18 kN/m3，盖板容重为25 kN/m3，基底实测承载压应力为280 kPa。

2 设计规范

1)中华人民共和国交通部标准JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范;2)中华人民共和国交通部标准JTGD61-2005公路圬工桥涵设计规范;3)中华人民共和国交通部标准JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范;4)中华人民共和国交通部标准JTG D63-2007公路桥涵地基及基础设计规范。

3 基础埋置深度

根据当地冰冻深度要求，小桥涵的基础埋置深度均在1.75 m以下。

4 结构计算

4.1 盖板计算

1)恒载内力计算。

系数取值:K=1.228 952;

恒载产生的支座剪力 V恒=(q土+q自)×净跨径/2= 178.037 6 kN;

恒载产生的跨中弯矩M恒=1/8×(q土+q自)×(计算跨径)2= 205.744 7 kN·m。

2)活载计算。

设计荷载等级:公路一级;

布载宽度20 m。

用动态规划法求得设计荷载作用下盖板上产生的最大弯矩和剪力:

冲击力系数U=0;

最大弯矩M设=M设×(1+U)=30.532 51×(1+0)= 30.532 51 kN·m;

最大剪力V设=V设×(1+U)=26.420 77×(1+0)= 26.420 77 kN。

3)荷载组合。

a.承载能力极限状态效应组合:

b.正常使用极限状态效应组合:

短期组合Msd=M恒+0.7×M设=227.117 5 kN·m;

长期组合Mld=M恒+0.4×M设=217.957 7 kN·m。

4)构件计算。

a.正截面强度计算:

截面有效高度h0=33 cm;盖板宽度b=100 cm;盖板抗压强度fcd=13.8 MPa;钢筋抗拉设计强度fsd=280 MPa。

按JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第5.2.2-1和5.2.2-2公式，计算最小钢筋截面积As。

由r0×Md≤fcd×b×x×(h0-x/2)，可得x;

由fsd×As=fcd×b×x，可得As;

x=63.3≤ξb×h0=184.8，截面受压高度符合要求。

根据计算需要受拉钢筋的最小截面积As=3 120.517 mm2，

在涵洞中设计的受拉钢筋的截面积Ar=4 712.389 mm2，

实际钢筋截面积Ar=4 712.4 mm2≥最小钢筋截面积As= 3 120.5 mm2，正截面强度满足要求。

b.斜截面强度计算:

由JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第5.2.9条计算:

0.51 ×10-3×sqr(fck)×b×h0=921.8 kN＞r0×Vd=225.6 kN，因此截面尺寸满足要求。

5)裂缝验算。

符合JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范第6.4.2条规定。

4.2 涵台计算

1)设计荷载作用下的内力计算:

计算水平土压力产生的弯矩:

涵台基础距路面高度H=8 m;破坏棱体长L=4.66 m;荷载布置宽度为20 m;布载长度为4.66 m;等代土层为0.65 m。

涵台剪力Qa=土容重×(盖板厚度+盖板距路面高度+等代土层)=27.75 kN;

涵台剪力Qb=土容重×(H+等代土层)=52.35 kN;

涵台高度h1=333 cm;支座处的反力:Ra=(2×Qa+Qb)× h1/659.862 kN，Rb=(Qa+2×Qb)×h1/673.5 kN。

最大弯矩发生位置Xmax=1.75m;最大弯矩Mmax=55.66 kN·m。

计算垂直力产生的弯矩与剪力:

总剪力P=262.2 kN;

总弯矩M=-26.4 kN·m;

组合总弯矩Mj=46.243 46 kN·m，总剪力Nj=314.6 kN;

e0=Abs(Mj/Nj)，Mj=46.243 46 kN·m，Nj=314.634 9 kN;

偏心距e0=0.15 m≤0.3 m，满足要求。

rw=0.289×涵台顶宽度/2/100=0.14 m;

hw=涵台顶宽度=100 cm;

b=1×(涵台高度-盖板厚度)/hw=3.33 cm;

台身抗压强度=14.5 MPa，ym=2.31;

tNj=a×涵台顶宽度/100×1×台身抗压强度 ×103/ym= 3 085.061 kN。

按荷载效应函数计算得出的纵向力=3 085.061 kN＞Nj=

314.634 9 kN，所以涵台强度满足要求。

按荷载效应函数计算并考虑纵向弯曲系数得出的纵向力= 3 069.19 kN＞Nj=314.634 9 kN，所以涵台稳定性满足要求。

2)基底应力验算:

P总=496.661 6 kN，M总=33.49 kN，a=基础底宽×1/100= 2.2 m，W=1×(基础底宽)2/6/10 000=0.8;

地基应力δmax=P总/a+M总/W=267.27 kPa;

地基应力δmin=P总/a-M总/W=184.23 kPa;

基底产生最大应力为δmax=267.27 kPa，小于基础实测承载力280 kPa，满足要求。

5 结语

原先盖板涵的设计适用前提是填土高度小于7.5 m，盖板的尺寸和配筋的确定均以参照通用图为准。一般情况下高填涵采用钢筋混凝土拱涵，但是钢筋混凝土拱涵造价较高，施工复杂，且容易开裂。随着新规范的实施以及高填土涵洞的不断出现，在保证安全经济的情况下我们对涵洞盖板结构也进行了重新设计和验算。目前，盖板涵已经突破到填土高度20 m，盖板的配筋也越来越复杂，设置了纵向弯起钢筋(见图2)，在填土高度小于或者等于20 m范围内可以完全替代钢筋混凝土拱涵。因此，在保证设计质量的前提下，盖板涵的应用会越来越广泛。

［1］ 赵 亘，李 勃.现行规范下盖板涵盖板的结构计算方法［J］.黑龙江科技信息，2008(20):66-67.

［2］ 重庆海特科技发展有限公司.PCVX公路涵洞CAD［Z］. 2005.