斜交箱涵端部结构计算与分析

宫 志, 朱自萍

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088)

0 引 言

箱涵是涵洞或通道的一种常见的形式，广泛应用于公路、市政和水利等工程中，由于整体性好，对不均匀沉降适应性强，故主要适用于软土地基。新建道路与现状沟渠或通道经常处于斜交状态，一般涵洞端部设置斜涵节，而洞口常设置一字翼墙。在工程建设与运营过程中，由于设计、施工及养护问题，一字墙常出现开裂、破损等情况，端部斜涵节出现整体滑移及扭转等病害。本文首先介绍箱涵一字翼墙的土压力分层法计算分析理论，然后针对端部斜涵节的敏感参数进行抗滑移和抗扭转分析。

1 一字翼墙计算分析

1.1 一字墙受力模型

为了追求外形美观及适用水流条件，涵洞端部及一字翼墙常与路线平行，此种做法称为斜交斜做，目前箱涵、盖板涵普遍采用这种做法，如图1所示。

图1

此时作用在一字翼墙上的荷载有翼墙自重及墙后主动土压力ea。

ea=Kaγh

式中：Ka为主动土压力系数；γ为墙后土重度；h为墙后填土高度。

根据《公路涵洞设计细则》(JTG/T D65-04-2007)，箱涵一字翼墙结构按照挡土墙结构验算其强度和应力。可假定一字翼墙按照一端固定、三端自由的悬臂板来简化计算，如图2所示。

图2

1.2 土压力分层法计算分析

一字翼墙与洞身连成整体，此时墙后作用主动土压力荷载，其中水平方向为主受力方向，水平钢筋为主筋，按计算配筋，竖向钢筋按构造配筋。

土压力分层法计算分析步骤如下：

(1) 计算一字翼墙后土压力强度。

(2) 墙后填土高度方向按照固定厚度分层，将土压力强度转化为线荷载，悬臂板转化为若干个悬臂梁。

(3) 计算每一根悬臂梁根部最大弯矩。

(4) 确定所有悬臂梁的最不利弯矩。

(5) 按照最不利荷载计算配筋。

1.3 一字翼墙计算结果分析

某工程一箱涵净宽6 m，净高4 m，覆土高度5 m，路基边坡1∶1.5，不考虑地下水的影响及墙前锥坡填土对一字翼墙的有利作用。一字翼墙长度(单侧)为6.65 m，厚度500 mm，高度为4.88 m。采用土压力分层法分析，墙后填土按照1 m厚度分层，转化为线荷载后作用在悬臂梁上，计算结果见表1。

表1 一字翼墙分层法计算结果

从表1可以看出，在一字翼墙高度方向上，从上到下悬臂梁长度逐渐减少，线荷载逐渐增大，而根部最大弯矩值先增大再减少，最不利弯矩为228.2 kN·m，出现在翼墙中间位置。这是因为根部弯矩大小与线荷载(土压力)和悬臂梁有关。上部土压力小、悬臂梁长，下部土压力大、悬臂梁短，这样根部弯矩必然在中间某处达到最大值。

取覆土高度5 m，墙后填土按照1 m厚度分层，采用土压力分层法计算一字翼墙在不同高度下的受力情况，计算结果见表2。

表2 不同高度下一字翼墙分层法计算结果

从表2可以看出，随着一字翼墙高度的增加，其墙身最不利弯矩值也是逐渐增加的。这说明随着翼墙高度越大，其水平受力越大，受力钢筋面积也相应增加。

2 端部斜涵节敏感性参数分析

可把箱涵端部涵节的受力作为整体来分析，斜交端部涵节一字翼墙和涵身受到的主动土压力不同，斜交角越大，斜涵节两侧土压力差异就越大，容易造成端涵节的整体滑移和扭转，如图3所示。

图3

下面分别对端部斜涵节的敏感参数进行抗滑移和抗扭转分析。

2.1 端部涵长分析

取箱涵净宽6 m，净高4 m，斜交角45°，填土高度5 m，进行不同端部涵长条件下整体抗滑移和抗扭转分析，结果见表3。

表3 不同端部涵长时，抗滑移和抗扭转对比分析

从表3可以看出，随着端部涵长的增加，抗滑移和抗扭转的安全系数逐渐增大，端涵节出现整体滑移和扭转的趋势越小。建议尽量增加端部涵长。

2.2 斜交角分析

取箱涵净宽6 m，净高4 m，端部涵长6.5 m，填土高度5 m，进行不同斜交角下整体抗滑移和抗扭转分析，结果见表4。

表4 不同斜交角时，抗滑移和抗扭转对比分析

从表4可以看出，随着斜交角的增大，抗滑移和抗扭转的安全系数逐渐降低，端涵节出现整体滑移和扭转的趋势越大。建议尽量采用小角度斜交。

2.3 箱涵净高分析

取箱涵净宽6 m，端部涵长6.5 m，斜交角45°，填土高度5 m，进行不同箱涵净高下整体抗滑移和抗扭转分析，结果见表5。

表5 不同箱涵净高时，抗滑移和抗扭转对比分析

从表5可以看出，随着箱涵净高的增大，抗滑移和抗扭转的安全系数逐渐降低，端涵节出现整体滑移和扭转的趋势越大。建议净高较大的箱涵尽量采用正交。

2.4 覆土高度分析

取箱涵净宽6 m，净高4 m，端部涵长6.5 m，斜交角45°，进行不同覆土高度下整体抗滑移和抗扭转分析，结果见表6。

表6 不同覆土高度时，抗滑移和抗扭转对比分析

从表6可以看出，随着覆土高度的增大，抗滑移和抗扭转的安全系数缓慢降低，端涵节出现整体滑移和扭转的趋势变化不大，覆土高度对箱涵整体抗扭转和抗滑移的影响较小。

2.5 不同尺寸箱涵端部长度分析

取箱涵斜交角45°，覆土高度为5 m，取同一安全系数时，对不同尺寸箱涵所需端部涵长进行分析，结果见表7。

表7 同一安全系数时，不同尺寸箱涵所需端部长度对比

从表7可以看出，对于不同尺寸的箱涵，所需的最短涵长是不同的。建议设计中给出不同尺寸箱涵端部涵节最短涵长要求，以满足整体抗滑移及扭转要求。

3 结束语

本文通过对箱涵端部斜涵节的结构进行分析，介绍了端部一字翼墙的土压力分层法计算分析理论，取最不利弯矩进行包络设计，对于一字翼墙结构设计具有一定的参考意义；然后针对端部斜涵节的敏感参数进行抗滑移和抗扭转分析。

分析结果表明：

(1)端部涵长越长，端涵节发生整体滑移和扭转的趋势就越小，因此尽量增加端部涵节长度。

(2)斜交角越大，端涵节发生整体滑移和扭转的趋势就越大，因此尽量采用小角度斜交。

(3)箱涵净高越大，端涵节发生整体滑移和扭转的趋势就越大，因此建议净高较大的箱涵尽量采用正交。

(4)覆土高度对端部斜涵节整体滑移和扭转的影响不大。

(5)对于不同箱涵尺寸，应提供端部涵节最低涵长以满足整体抗滑移和扭转要求。