基于欧洲标准的圆管涵包封设计及应用

侯利明，汤春林

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安　710075)



基于欧洲标准的圆管涵包封设计及应用

侯利明，汤春林

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安710075)

摘要：以阿尔及利亚项目为工程背景，以圆管涵作为研究对象，采用外包混凝土的措施对圆管涵进行优化，提出了两种包封方案，分别计算和分析了使用阶段应力情况，通过计算结果可知圆管涵包封混凝土后承载力显著提高，可应用于高填土路段。

关键词：圆管涵；包封混凝土

1高填土圆管涵设计

图1为阿尔及利亚项目直径为1.5 m的圆管涵，适用于6 m以下的填土高度。其所受荷载主要是填土荷载和车辆荷载，车辆荷载可等代为填土荷载，由于土压力不是等值的径向荷载，竖直方向荷载大于水平方向荷载，在圆管涵顶部、底部及两侧会产生较大的弯矩，顶部、底部的内截面及两侧的外截面产生拉应力。当填土高度超过6 m，圆管涵恒载增大较多，会导致圆管涵开裂，承载力不满足要求。

图1　适用于填高6 m的圆管涵构造图

为了使圆管涵应用于超过6 m的填土路段，在圆管涵外全包封素混凝土以改善圆管涵顶部、底部及侧面的受力，从而提高圆管涵的承载力。针对适用于18 m填土高度的圆管涵，现提出两种包封方案。方案一：在圆管涵外全包封25 cm的素混凝土，并将外轮廓做成矩形，使包封混凝土与圆管涵基座成为一个整体，同时也方便模板的施工，如图2所示；方案二：在方案一的基础上对包封混凝土上部的两个顶角进行优化，这样保证关键部位受力影响不大的情况下可节省一部分混凝土，如图3所示。

图2　包封圆管涵方案一

图3　包封圆管涵方案二

2包封混凝土圆管涵计算及分析

2.1结构计算模型及计算假定

(1)阿尔及利亚项目设计采用欧洲标准，因此本文包封混凝土圆管涵计算也同样采用欧洲标准。

(2)为了精确分析包封混凝土圆管涵实际受力情况，采用八节点实体模型进行计算分析，取包封混凝土圆管涵1 m长度作为分析模型。

(3)圆管涵及包封混凝土均采用RN27混凝土，容重25 kN/m3，弹性模量11 100 MPa。

(4)竖向土压力按土的自重均匀作用在顶板，土体容重20 kN/m3，侧土压力按静土压力计算，静土压力系数取K0=1Isinφ=1Isin(30°)=0.5。

(5)活载采用欧洲规范中的公路桥梁车辆荷载，主要包括A荷载、B系列荷载、军事系列荷载和特殊荷载等4个大类，这四类车辆荷载分别与结构自重及填土压力荷载组合，以最不利组合结果验算ELS状态下结构的拉应力和压应力是否满足规范要求。

2.2结构计算结果及分析

通过对两种模型各个工况计算可得最不利荷载组合为：

1.06×1111×+1.05×11111+1.0×D2401111，其应力结果如下。

(1)方案一应力计算结果：

图4　Sxx方向应力结果

图5　Szz方向应力结果

从图4、图5可以看出，结构最大拉应力为1.52 MPa，满足规范2.22 MPa要求，包封圆管涵不会开裂。最大压应力为3.13 MPa，满足规范16.2 MPa要求。

(2)方案二应力计算结果：

图6　Sxx方向应力结果

图7　Szz方向应力结果

从图6、图7可以看出，结构最大拉应力为1.45 MPa，满足规范2.22 MPa要求，包封圆管涵不会开裂。最大压应力为3.2 MPa，满足规范16.2 MPa要求。

根据应力计算结果分析可知包封混凝土圆管涵受力最不利位置同样在管顶、管底和管侧部位，与圆管涵相比这几个部位拉应力显著降低，可适用于18 m填土高度。包封方案二相比方案一拉应力减少了0.07 MPa，压应力增加了0.07 MPa，此结构为拉应力控制，因此方案二的受力性能更好，且节省了两个顶角的混凝土。

3结论

(1)包封混凝土后的圆管涵承载能力远远大于包封前的承载力，可应用于高填土路段。

(2)通过两种包封方案结果对比可知，方案二用料更省，受力更优。目前阿尔及利亚项目普遍采用方案一，从用料及受力性能方面考虑，推荐采用方案二。

(3)直径1.5 m圆管涵包封25 cm素混凝土可适用于18 m填高，低于18 m可根据实际填高对包封厚度进行调整。

(4)包封混凝土圆管涵相比盖板涵，箱涵，拱涵有施工方便，造价低等优点。

参考文献：

[1]《applicables aux marchés de travaux publics relevant des services de l′équipement》 Fascicule 61 Titre II PROGRAMMES DE CHARGES ET éPREUVES DES PONTS-ROUTES.

[2]《BAEL 91MOD.99》

Based on european standards encapsulation pipe culvert design and application

HOU Li-ming，TANG Chun-lin

(First Highway Survey and Design Institute Ltd.,Xi'an,Shanxi 710075,China)

Abstract:Based on the engineering background of Algeria project, used pipe culvert as the research object, the paper adopt the measure of encapsulating concrete to optimize the pipe culvert, put forward two encapsulation scheme, and separately analyzed the stress situation of ELS phase. Through calculating result we know the bearing capacity of encapsulating concrete pipe culvert was significantly increased. And the encapsulating concrete pipe culvert can be applied to highly-filled soil road.

Keywords:pipe culvert;encapsulating concrete

中图分类号：U416.1

文献标识码：C

文章编号：1008-3383(2016)03-0050-02

作者简介：侯利明(1986-)，男，陕西人，工程师，研究方向：桥梁设计标准化。

收稿日期：2016-01-10