公路盖板暗涵计算参数及简化模型探讨

于永正

(辽宁省公路勘测设计公司 沈阳市 100166)

盖板暗涵是公路设计中最常见的构造物形式，由于其结构受力形式相对简单，设计人员在进行结构计算时往往不重视，在工程实践中仍存在计算参数取用不合理的情况，导致盖板涵的结构安全性降低，影响了盖板涵的正常使用。为保证工程设计质量，拟对盖板暗涵计算参数的取用进行探讨,以一孔4×4m盖板涵为例，对采用不同的计算参数计算结果进行了对比分析。

1 盖板涵上部结构计算参数分析

1.1 不均匀沉降系数K对填土竖向压力计算的影响

目前在进行填土竖向压力计算中，主要有等沉面法、卸荷拱法和土柱法三种计算方法，从三种计算方法的计算结果看，等沉面法计算时考虑涵洞两侧土体沉降对竖向力的影响，故竖向力的计算结果最大；卸荷拱法计算的竖向力最小，由于卸荷拱法计算理论的形成条件一般不宜满足，故大多数情况下很少采用该计算方法；土柱法计算比较简单，是目前公路部门涵洞设计中普遍采用的方法，但要求涵洞两侧填土必要压实。填土的重力对涵洞的竖向力计算公式主要有以下两种计算公式：

qv=γh 《公路桥涵通用设计规范》(土柱法)

qv=Kγh 《公路涵洞设计细则》(等沉面法)

式中：γ—土的重力密度；

h—计算截面至路面顶的高度；

K—台后不均匀沉降影响系数，久经压实的路基取1.0。

表1 不均匀沉降影响系数K

表2 不均匀沉降系数对填土竖向压力计算结果的影响对比

从以上计算结果看，考虑不均匀沉降系数对盖板涵的内力计算结果影响还是比较大的。在工程设计中，为防止台后跳车现象以及保证台后填土的压实度，基本会对台后进行过渡段设计并采用填筑透水性材料的方法对台后进行处理。故在对涵洞进行结构计算时，一般情况下采用土柱法进行计算，忽略涵洞两侧填土下沉产生的附加压力是比较合理的。但对于地质条件相对较差的新建道路，为保证涵洞地基承载力，往往会对涵洞位置进行地基处理，而涵洞两侧地基未进行相应处理时，则应采用等沉面法进行计算，考虑不均匀沉降系数K的影响。

1.2 横向车道布载系数对车辆荷载垂直压力计算的影响

在进行涵洞内力计算时，主要采用车辆荷载进行分析计算。根据最新《公路桥涵设计通用规范》的相关规定，当布置一条车道汽车荷载时，应考虑汽车荷载的提高。目前，采用车辆荷载进行涵洞内力分析时是否需要考虑横向车道布载系数，仍存在一定的争议。笔者认为，新规范中关于横向车道布载的描述是“汽车荷载”，而汽车荷载是由车道荷载和车辆荷载组成的；同时新规范中对车道荷载的集中荷载标准值以及车辆荷载的分项系数均进行了提高，如果对于横向车道布载系数仅在车道荷载时考虑而在车辆荷载计算分析时不考虑是不合理的。故在计算车辆荷载引起的垂直压力计算时，应考虑横向车道布载系数的影响，结合车道数，分别对单车和双车作用的车辆荷载分别进行计算，取二者的较大值。表3为考虑横向布载系数时采用单车和双车作用时车辆荷载引起的垂直压力计算对比结果。

表3 横向车道布载系数对车辆荷载计算结果的影响对比

从以上计算结果可以看出，当考虑横向车道布载系数时对车辆荷载引起的垂直压力计算结果影响较大，特别是在涵顶填土高度相对较小时，其垂直压力增幅较大。为保证公路涵洞的结构稳定，建议在进行内力计算时，应充分考虑横向车道布载系数的影响。

2 盖板涵下部结构计算参数分析

2.1 车辆荷载等代土层厚度对台身计算的影响

根据《公路桥梁设计通用规范》第4.3.4条规定。汽车荷载在桥台或挡土墙后填土的破坏棱体上引起的土侧压力，可按以下公式计算：

h=∑G/Bl0γ 《公路桥梁设计通用规范》

式中：γ—土的重力密度；

h—等待土层厚度；

∑G—布置在B×l0面积内的车轮的总重力；

l0—桥台或挡墙后填土的破坏棱体长度；

B—桥台横向全宽或挡土墙的计算长度。

在以往的设计中，笔者发现在计算盖板涵台后等待土层厚度h时，关于计算宽度B的取值存在一定的争议，一类设计者认为汽车荷载等代土层计算时应按路面宽度进行取值，但大多设计者认为涵洞为暗结构，汽车荷载是通过土体扩散至涵台位置的，所以应等同于涵洞计算涵洞顶部汽车荷载压力的计算方法，其宽度B应为车轮按其着地面积的边缘向下作30°角分布，扩散面积以最外侧扩散线为准。笔者认为采用车轮着地扩散面积更接近实际受力情况，可以被大多设计者接受。但在计算分布宽度时，应考虑横向布载系数对等代土层厚度计算的影响。表4是以4m盖板涵为例，对应不同填土高度计算汽车荷载引起的等代土层厚度对比结果。

从以上计算结果可以看出，当考虑横向车道布载系数影响时，采用双车道计算的等代土层厚度最大，一般情况下采用双车道计算基本满足设计要求，但对于单车道的四级公路，采用双车道进行计算就会造成材料浪费，故在进行盖板涵计算时，对于车道布载系数的影响应进行充分的考虑。

2.2 计算简化模型对台身计算的影响

目前公路行业对盖板涵台身计算的简化模型主要有两种，一种是上端简支、下端固接模型，台身按上端与盖板不可移动的铰接、下端与基础固接计算。另一种是上、下端简支模型，台身计算按上端与盖板不可移动的铰接、下端与支撑梁不可移动的铰接计算。两种力学简化模型的荷载效应是不同的，所以计算结果偏差较大。为分析两种计算模型的合理性，笔者分别对两种简化模型进行了对比分析计算。

(1)采用上、下端简支计算模型，见图1，其最大弯矩位于x0处，其计算公式如下：

μ=q1/q2

ν=(μ2+μ+1)0.5/3

x=(ν-μ)/(1-μ)×h

Mx=q2×h2/6×(2ν3-μ(1+μ))/(1-μ)2

(2)采用上端简支、下端固接模型，见图2，其最大弯矩为Mx0处和MA处的最大值，其计算公式如下：

μ=q1/q2

ν=((9μ2+7μ+4)/20)0.5

x=(ν-μ)/(1-μ)×h

Mx=q2×h2/6×(2ν3-μ(1+μ))/(1-μ)2

MA=-h2/120×(7q1+8q2)

以C30混凝土台身计算为例。涵洞净高取用4.0m，净宽4.0m，上部盖板支撑宽度取0.3m，采用不同计算模型的计算结果如下：

从计算结果可以看出，当采用上端简支、下端固接模型进行计算时，台身尺寸的计算结果相对较大。目前对于采用何种简化模型对涵洞台身进行计算也存在一定的争议。笔者认为，计算简化模型的采用应结合涵洞的基础形式以及涵洞净高的因素综合确定。当涵洞采用分离式基础时，如果涵洞的净高远大于基础厚度，涵台身主要受上部梁板和支撑梁的支撑作用，涵洞基础的固接作用已经不明显，此时应采用上、下端简支模型进行台身结构验算。当涵洞采用整体式基础时，基础与涵台身的固接作用较为明显，此时涵台身计算时推荐采用一端简支、一端固接的简化模型。

涵洞台身计算的简化模型应结合涵洞基础对台身固接作用的贡献综合确定，在保证涵台身结构稳定的基础上，尽量较少台身尺寸，避免不必要的工程浪费。

3 小结

盖板涵作为公路主要的排水构造物形式，加强公路盖板涵结构设计，采用合理的计算参数和计算模型对提高盖板涵结构安全至关重要。结合最新的公路行业规范，对涵洞计算影响较大的参数进行了分析对比，希望可以对提高公路构造物结构承载能力、保障公路行车安全提供参考。