汽车荷载对埋地管线压力的简化计算

何齐书，左超，2，尹长光，武月梅，2，刘安强

（1.新兴铸管股份有限公司，河北 邯郸056300；2.河北省球墨铸铁管工程技术研究中心，河北 邯郸056300）

1 汽车荷载对覆土层下物体压力概述

影响汽车对管线顶部等效均布荷载的主要因素有动力系数和覆土层厚度。

1.1 动力系数

汽车荷载是指通过交通工具轮胎压力作用在如公路、桥梁等构筑物上的动力荷载。根据土壤或者填充物本身构成和厚度的不同，可以分开来考虑其对构筑物的有益作用。当土壤或者填充物较为松散或者厚度较薄时，一般不作为有益于构筑物承受载荷的因素；当土壤或者填充物较为密实、强度高或者具有一定厚度时，可以引入动力系数对其作用进行量化计算。此外，当厚度超过一定值以后，轮胎压力的荷载基本可以认定为通过填充物得到了充分的缓冲和扩散，此时，动力系数可取值为1.0。GB 50009—2001《建筑结构荷载规范》中列出了参考的车辆荷载已经考虑了荷载的动力系数（见表1），可以直接使用。

1.2 覆土层厚度

构筑物顶部的填充物对车辆轮胎压力可以进行扩散。随着填充物厚度增加，车辆轮胎压力扩散愈加充分，在这种机制下，车辆轮胎压力随着深度的增加，其压力经过扩散以及交替和重叠后，在某一深度平面内，压力近似均匀分布，该填充物深度数值可以参考工程经验来取值，也可以按照车辆后轴轮胎压力的扩散面积大于或者等于按照车辆负重比例划分的车辆投影区域面积来确定。

2 计算模型及相关公式

2.1 单个轮压的作用模型

单个轮压作用到管道顶部的竖向压力标准值，按照GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》[1]，其传递模型如图1所示，地面汽车荷载传递到埋地管道顶部的竖向压力标准值公式为：

式中，qvk为轮胎压力作用到管顶的竖向压力标准值，kN/m；Qvi,k为车辆的i个车轮承担的单个轮压标准值，kN；ai为i个车轮的地面接触长度，m；bi为个车轮的地面接触宽度，m；μd为动力系数，可按表1采用；H为车辆轮胎接触的地面直管顶的高度，m。

图1单个轮压的传递分布图

2.2 2个以上单排轮压综合作用模型

2个以上单排轮胎压力综合影响作用至管道顶部的竖向压力标准值，其计算模型如图2所示，计算公式见式（2）：

式中，n为车轮的总数量；dbj为沿车轮着地分布宽度方向，相邻2个车轮间的净距，m。

图2 2个以上单排轮压综合影响的传递分布图

2.3 多排轮压综合作用模型

多排轮压综合影响作用至管道顶部的竖向压力标准值，可按式（3）计算：

式中，ma为沿车轮地面接触宽度方向的车轮排数；mb为沿车轮地面接触长度方向的车轮排数；daj为沿车轮地面接触长度方向，相邻2个车轮间的净距，m。

3 计算实例

从以上计算模型可以推测出，当填充物厚度达到一定值，轮胎压力扩散程度足够时，车辆轮胎压力荷载可以等同为均布荷载[2，3]。对于一级公路与二级公路，汽车的结构参数及其荷载布置按照JTG B01—2014《公路工程技术标准》，公路工程技术标准中的规定。考虑到安全因素，并排停放或者行驶的车辆，同步经过管道上方地面为例，车辆重量级别为550kN级，如图3所示。

假设车辆安全间距为每侧0.6m，汽车在路面投影面积为（15m+0.6m）×（2.5m+0.6m）=48.36m2；车辆后部轴车轮压力与整车重量的比值为280kN/550kN=0.51；计算后部轴车轮压力的扩散面积0.51×48.36m2=24.66m2。

根据后部轴车轮压力的扩散面积应大于或者等于按照车辆负重比例划分的车辆投影区域面积的原则，即：

则：h≥2.27m，此时可确定为填充物厚度达到了可认定为均布载荷的厚度，车辆合理投影范围内的平均重量为550kN/48.36m2=11.4kN/m2。

图3足够的覆土层厚度计算示意（单位：m）

按照图1所示的汽车荷载布置形式及计算模型可以计算出重量为550kN的车辆在不同覆土厚度时对覆土层下管道顶部的竖直压力大小，如表2所示。

表2 550kN对不同覆土厚度管顶的竖直压力

4 结论

通过对汽车荷载对覆土层下管道顶部竖直压力的计算模型的建立，按照一级、二级公路的汽车荷载形式，完成了汽车载荷对管顶压力的近似计算，为管线过路的相关计算提供了参考。