对多孔箱涵型式水闸的交通桥内力计算思考

朱 磊

（宿州市水利水电建筑勘测设计院 宿州 234000）

对多孔箱涵型式水闸的交通桥内力计算思考

朱 磊

（宿州市水利水电建筑勘测设计院 宿州 234000）

通过对带有交通桥功能无覆土箱涵式水闸闸室的内力数值定性分析，得出汽车活荷载对闸室内力效应具有决定作用，但因其闸室结构使用功能的多重性，要准确把握设计结果尚有难度。本文提出闸桥柔性过渡结合的几点思考，以供此类工程设计及施工借鉴。

箱涵 横向分布系数 水闸交通桥 柔性组合

多孔整体式箱涵式结构是目前中小型水闸设计较常采用的一种结构类型。因箱体结构具有较大的纵横向刚度，有较强的抗变形能力，且适应软土地基的多方面要求等诸多优点，使用较为广泛。

1 问题的提出

闸室段箱涵横向内力分析及计算模型简化：简化成超静定平面杆系结构（单位宽度）单元，计算内力。箱涵结构因纵向刚度较大，在一般情况下，纵向内力基本不起控制作用，只对横向结构计算模型下汽车荷载内力进行分析计算。汽车荷载对箱涵效应影响可大致分两种：一是有较厚覆土涵洞式箱涵，覆土越厚，活载扩散效应越明显，其传递到箱涵越少，由其引起的箱涵效应占总比例较少，不起控制作用。二是无覆土有交通桥功能箱的涵则不同，可变荷载直接作用在箱涵顶板上，对闸室尤其顶板局部效应影响比较大。为确保闸室结构在使用寿命期限内的安全性，须较准确地计算箱涵与局部整体板所承担的最大活载内力情况。

皖北平原多数水闸不仅担负挡水、泄洪等任务，兼有公路交通桥功能，整体式箱涵结构水闸其交通桥部位承受汽车荷载作用。其取值依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.1条。公路荷载分为公路Ⅰ、Ⅱ级，与之对应，且有车道荷载与车辆荷载之分。水闸箱涵结构引入公路汽车荷载计算分析时分为两种情况：一是箱体框架整体计算，此时其顶板应施加均布荷载与集中荷载组成的车道荷载；二是局部计算，此时则应施加车辆荷载。整体水闸箱涵计算属于第一种情况。

中小型水闸相关书籍介绍汽车荷载在其固结整体连续板交通桥分布及计算实例较少，且桥梁相关书籍对水闸箱涵式结构可变荷载分布及内力的计算实例也介绍甚少。水闸与桥梁两种使用功能截然不同的建筑物无过渡的直接组合拼接（仅代表部分建筑物），造成了这些中小型水闸兼交通桥复合结构（整体式箱涵结构闸室结构）计算的难点。中小型箱涵水闸交通桥（一般双车道）计算中先进行板梁计算单元简化，则单元板梁分担的横向荷载=汽车荷载标准值×横向分布影响系数×横向车道布载系数（双车道一般取1.0）。这里要引入荷载横向分布系数的概念：所谓荷载横向分布系数（Lateral Distribution Factor ofLive Load）是专指公路车辆荷载在桥梁横向各主梁（板）间分配的百分数。荷载横向分布理论在桥梁设计中占有重要地位，目前桥梁荷载横向分布系数常用的计算方法主要有杠杆原理法、偏心压力法（修正偏心压力法）、铰接板（梁）法、刚接梁法和比拟正交异性板法（G-M法）等。

2 实例说明

图1 7号闸室单元计算简图

现以某水闸一联三孔箱涵闸室结构为例定性说明车道荷载在其交通桥上分布及作用结果。设计参数：场地地震基本烈度为6度，闸基持力层为粉质砂壤土、饱和重度20kN/m3，渗透系数1x10-5cm/s，内摩擦角计算取值30°，弹性模量20MPa，泊松比0.3，闸室钢筋混凝土标号C25，底板高程0，上游蓄水位4.00，下游水位0，交通桥汽车荷载公路Ⅰ级。7号闸室单元计算简图见图1。

图1简化单元为具有代表性的7号单元，为了简化工序，习惯上以此单元计算结果作为其他单元设计控制条件。值得注意的是，混凝土构件内力设计值计算时，《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008）与《公路桥涵设计通用规范》（JTG 60-2015）中关于构件承载力极限状态下，永久荷载与可变荷载分项系数取值不同，《公路桥涵设计通用规范》（JTG 60-2015）规定较大：永久荷载1.2，可变荷载1.4，因本文着重点主要介绍水闸交通桥车道荷载内力影响，故取大值。

为简化计算，汽车冲击荷载取车道荷载标准值0.1倍；汽车制动力不考虑（两侧填土约束影响）；箱涵顶板汽车横向荷载分布系数按简支整体连续板（偏保守）经验公式：

式中：v—不均匀系数，取1.05；

k—车道数；

n—简化单元数。

计算得m=0.263。此次取正常蓄水期+车道荷载工况，分别利用Autobank7.51程序对7号简化单元进行内力计算分析，其弯矩设计值（kN·m）如图2。

程序计算结果显示：顶板受车道荷载影响最大，施加车道荷载后顶板跨中正弯矩较之前增大4～5倍，负弯矩增大2～3倍；底板受车道影响次之，施加车道荷载后底板跨中正负弯矩较之前增大1.25～1.5倍；边墩与中墩受车道影响最小（净高6.8m），其在0.8～1m厚构造尺寸及最小配筋率下，其车道活载影响可以忽略不计。

上述分析中，虽然车道荷载取值（固结连续整体板）仅由经验公式得出，但计算结果也具有导向作用。由此可知，水闸与交通桥相结合的无覆土箱涵闸室结构的设计中应注意：车道荷载效应影响起着决定性作用，对不同部位的影响度对比相差成倍数关系，设计人员依据的现行设计规范往往也带有个人取舍倾向，造成此种水工建筑物设计的相对复杂性。根据计算结果，在满足水闸挡水、过水基本功能前提下，按其构造尺寸进行配筋设计，交通桥板、底板及墩墙配筋率相差很大；为节约建材并充分发挥材料强度优势，各构件设计宜区别对待，例如顶板等高配筋率构件应提高材料等级或顶板直接简化引用相应板梁图籍。

图2 7号简化单元内力计算弯矩设计值简图（kN·m）

3 结语

（1）整体箱涵结构适用上部有较厚覆土情况，覆土既减少了结构温度应力，同时又分散上部传来的汽车活载，使其不成为设计控制因素。

（2）中小型水闸在一定情况下可采用无覆土整体箱涵结构，但应充分考虑远近期汽车荷载作用，或舍去交通桥功能，仅其发挥单一挡水过水作用。

（3）大中型规模水闸与交通桥结合构造上应采用柔性过渡结合方式，从而分开建立结构计算模型，为方便设计人员应用不同行业设计规范，提供清晰明朗的选择。

（4）柔性过渡结合方式：设计为带有柔性橡胶支座的板梁结构，保证交通桥底板基础为刚性基础；水闸前（后）直接毗邻设置单体交通桥，并利用水闸边墩构件作单体交通桥桥台等；利用堤防作为引桥。有效的闸桥柔性过渡结合体既可以提高工程普遍适用性，又大大提高了工程使用效率■