浅谈双孔箱涵在城市内河整治工程中的应用

2012-09-11陈宇明

陕西水利 2012年6期

陈宇明

(湖南省湘乡市水利局湖南湘乡 411400)

双孔箱涵是一种受力特性良好，能适应各种不同的地质条件的超静定结构，其属于箱形框架。在欧家港（湘乡城区的一条城市内河）双孔箱涵的设计过程中,可以在不同荷载工况下变化单一设计因素，进行箱涵结构的试算和深入比较分析，从而得出影响箱涵结构的敏感因素，总结出钢筋混凝土箱涵设计中应注意的一些问题。

1 工程概况

欧家港是湘乡城区的一条内河，为湘江涟水一级支流，发源于湘乡铝厂附近的白坨村，流经城区新湘路、望春门两个办事处及东郊、龙洞两个乡镇，在欧家港注入涟水河。干流总长7.05km，干流坡降为1.894‰，全流域面积为10.874 km2。入河口处建有欧家港排渍站，装机二台2×130kW电机水泵，排抽流量为2×1.25m3/s，配电变压器为320kVA一台。根据《湘乡市欧家港整治工程可行性研究报告》（2003年编）的规划可知，在桩号6+527处河道底板高程为40.59 m。通过分段计算机编程计算可知，河段会形成雍水影响至5+394～5+748之间（此段桩号以上可按明渠均匀流进行水力计算），并可求出6+527处水位为46.04 m，具体设计的双孔箱涵截面净空4.85m（宽）×5.5 m（高）×2（孔），箱涵顶覆土深度0.7m，涵顶路面设计荷载为汽—20级（双车行驶）。最高地下水位为地面以下1m，最低地下水位在箱涵底板以下。箱涵底板持力层为粉质粘土，地基承载力特征值为。试算中，拟定箱涵截面厚度取400mm。

在湖南的气候资料中，并没有欧家港实测水文、气象等相关资料，欧家港双孔箱涵的设计中也没有采用城市降雨径流模型——修正RRL法或改进模型进行模拟计算，因这种模型通常适合于管网密度大、面积较小的城市流域的下水道和雨水管的规划、设计及径流污染管理。本次欧家港的洪水设计采用湖南省水利厅编制的《湖南省暴雨洪水查算手册》等相关手册作为依据进行查算。洪水标准依据《防洪标准》（GB50201-94）及《城市防洪工程设计规范》（CJJ50-92）规定，通过计算，确定本工程为Ⅳ等，对工程设计洪水标准按十年一遇最大24小时暴雨洪峰流量标准，即设计的重现期为10年（设计频率P=10%）。通过分析计算可知欧家港箱涵的流水量为45.8m3/s。

表1 各种荷载组合及最不利内力下的内力结果

表2 欧家港6+527~6+640双孔箱涵配筋计算成果表

2 箱涵内力分析计算

在欧家港双孔箱涵的设计中，由于箱涵施工和使用阶段的受力特征比较复杂，因此对箱涵影响最大的三种荷载组合的内力进行计算是非常有必要的，通过计算分析可以得到箱涵各控制截面的最不利内力，并将此作为箱涵截面设计的重要依据。欧家港双孔箱涵净跨径L0=2×4.85m，净高H0=5.5m，采用上埋式构筑，顶部填土高度H=0.7m，上为0.5m砼路面，两端回填土按砂性土考虑，容量γ=18kn/m3，浮容量 γ′=9.8kg/m3，内磨擦角φ=30°，C=0。箱涵主体结构砼强度等级为C25，箱涵基础垫层采用C10砼，受力钢筋采用HRB335钢筋，地基为粉质粘土，涵顶路面设计荷载为汽—20级（双车行驶），欧家港双孔箱涵可以按三级建筑物基本组合设计。

2.1 荷载组合一

这种组合主要考虑的是箱涵的两个箱孔都有水的情况，其具体的受力图示如图1所示。图中PS为箱涵上部的垂直土荷载，Pg为箱涵顶板自重；Pc为车辆荷载；Pd为地面堆积荷载，在Pd、Pc中取用较大值，gc为管道侧墙自重；Pf为作用于底板的竖向荷载，qs为水平土压力，qw为最高地下水位时的水平荷载，qd为地面堆积荷载Pd产生的水平荷载，当Pd＝0时，qd＝0，qc为车辆荷载产生的水平荷载，qd、qc中只取用较大值，为受力的距离长度。其中：

可以看出箱底承受的压力与上表面的荷载pg、pc、ps有关，这是计算箱底敏感系统的基本数据之一，也是配筋的基本依据，利用这个公式能够方便的计算出箱涵的荷载。

2.2 荷载组合二

这种组合主要考虑的是箱涵的一孔有水，一孔没有水的情况，这样箱涵的侧壁受力不一致就会造成箱涵的受力不同。其具体受力情况如图2所示。

图中的pt为计算内压力，当没有内压力时，pt=0；q′

w为水的静水压力，也是对箱涵的侧壁产生压力，qw为最低地下水位时的水平荷载，其余符号意义同上。从公式中能够很明显的看出，箱涵底部pf的受力情况，主要由箱涵的自重和上部的土压力造成的。

2.3 荷载组合三

这种组合是针对当箱涵两孔均没有水压力存在时的受力作用分析，具体受力情况如图3所示。

这时箱涵底部的受力情况为：

此时计算箱涵底部的压力也就是最理想的受力情况，主要考虑的箱涵的自重对箱涵荷载的影响。

2.4 箱涵截面的内力分析

对于欧家港双孔箱涵的内力分析，主要参查结构静力计算手册中□形的钢架相关内力参数进行计算、叠加，从而得出各荷载组合下的内力计算结果，分析得到最不利内力值，作为箱涵截面设计的依据。欧家港的箱涵为无压管，只计算第一、二种荷载组合下的内力，标准荷载作用下内力值如表1所示。

(1)顶板、底板按受弯构件计算，当涵内有压时，还需按第三种荷载组合验算偏心受拉情况，结构重要性系数v0=0.09。

(2)侧墙按偏心受压构件计算，当涵内有压时，还需按第三种荷载组合验算偏心受拉情况，结构重要性系数v0=0.09。

2.5 裂缝计算

依据上面分析的箱涵受力的三种情况，在欧家港双孔箱涵的设计中，当计算截面的受力状态处于受弯、大偏心受压或受拉时，在标准荷载作用下，控制截面最大裂缝宽度Wmax≤0.02mm；当计算截面的受力状态处于轴心受拉或小偏心受拉时，截面设计应按在标准荷载作用下不允许出现裂缝控制，要能够全面的控制箱涵承受的压力，保证箱涵的安全性。

2.6 抗浮稳定性验算

在欧家港双孔箱涵的设计中，考虑到若发生大洪水灾害等因素，因此必须对箱涵进行抗浮稳定性验算：(1)箱涵截面积较大；(2)箱涵的上层覆土比较浅；(3)地下水位较高。通过对箱涵的水位压力、浮力、抗浮配重、安全系数等数据进行合理的分析计算，得出能够满足设计的要求的箱涵抗浮验算结果，从而减少甚至避免对施工设计的影响。

3 影响双孔箱涵受力的主要因素分析

通过对箱涵受力的三种情况的多次试算及分析，从而得出对箱涵的内力影响较为明显的因素，这些因素是本次欧家港双孔箱涵的设计中重点考虑关注的问题。

（1）跨高比。在箱涵过水断面不变的情况下，选择合适的高跨比，有利于结构的优化，能够减少箱涵的受力情况。

（2）水位。水位也是影响双孔桥涵的主要因素之一，比较不同水位下，箱涵的抗浮稳定系数，求出箱涵的安全系数。

4 配筋计算

在欧家港双孔箱涵的设计中，通过对箱涵的结构进行分析，以及运用简单的计算机正截面配筋程序计算，从而得出双孔箱涵各杆件配筋的计算结果。由于双孔箱涵为对称结构，因此只给出了一孔（左孔）数值，具体如表2所示。

根据以上欧家港双孔箱涵各杆件配筋的计算结果，可知其截面尺寸满足要求。该钢筋的布置既充分利用了抵抗弯矩图又遵循合理、安全、经济、方便施工的原则。通过计算，欧家港6+527—6+640段双孔箱涵1m长，钢筋砼方量为14.85m3，钢筋实配重量为1.38t，配筋量为93kg/m3，配筋量在正常值范围内，配筋简明、合理、经济。