黃金芬

（中國煤炭科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

路橋與建筑

重載卡車下涵洞設(shè)計程序的開發(fā)

黃金芬

（中國煤炭科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015）

工業(yè)礦區(qū)道路經(jīng)常行駛重型卡車，道路上的一般構(gòu)造物如橋梁與涵洞不能用一般的公路軟件計算。從這個角度出發(fā)，編制了適用于礦區(qū)道路涵洞的設(shè)計計算軟件。結(jié)合礦區(qū)應(yīng)用較多的涵洞形式，編制出蓋板涵與圓管涵2種涵洞形式的計算模塊。經(jīng)檢驗，開發(fā)程序與公路軟件在計算公路車輛荷載時，結(jié)果一致，認(rèn)為程序可行。

礦區(qū)；重載；涵洞；軟件編制

0 引言

目前，應(yīng)用于礦區(qū)橋涵構(gòu)造物計算的軟件主要有橋梁博士、橋梁通、科寶華地道橋計算系統(tǒng)、PCVX以及bridge and culvert等。一般的橋涵計算軟件通用于公路橋涵構(gòu)造物的計算，設(shè)計車型55 t，而礦區(qū)經(jīng)常行走重達(dá)幾百噸的卡車，很多涵洞計算軟件便愛莫能助了。對于礦區(qū)橋涵構(gòu)造物較多的涵洞而言，使用midas或者橋梁博士等大型橋梁軟件去建立模型再計算顯然過于浪費時間，因此，擬開發(fā)一個可以計算重載卡車作用下的涵洞計算程序，來完成一般公路涵洞軟件計算不了的工程項目。

1 開發(fā)思路

涵洞計算的思路和流程如圖1。

如圖1所示，首先根據(jù)活載信息計算出分布到涵頂?shù)膲簭姡惠斎牒吹某叽缧畔?，并進(jìn)行內(nèi)力組合；其次輸入鋼筋參數(shù)，計算涵洞的應(yīng)力、裂縫，并根據(jù)規(guī)范的相關(guān)要求進(jìn)行驗算；如若滿足，則計算結(jié)束，若不滿足，則返回調(diào)整涵洞尺寸信息，或調(diào)整鋼筋參數(shù)，使得最終的計算結(jié)果滿足要求。若僅為配筋率或裂縫不滿足的條件下，僅調(diào)整鋼筋量即可；若彎矩不滿足，偏差量少的情況下調(diào)整鋼筋，否則，需調(diào)整涵洞的尺寸信息。

礦區(qū)涵洞多數(shù)設(shè)計為蓋板涵與圓管涵，因此，本開發(fā)程序擬設(shè)計2種涵洞形式，在計算涵身結(jié)果的同時驗算地基承載力。

2 程序介紹

本計算程序共分為“涵頂活載強度”、“蓋板計算”、“涵臺計算”、“圓管計算”和“地基承載力驗算”5個計算模塊，另附一“程序說明”頁，現(xiàn)分別將計算模塊內(nèi)容介紹如下。

1）模塊一：涵頂活載強度。普通涵洞計算軟件只能計算公路車輛活載，車型固定不變，對于較大噸位的車輛更是計算不了。本程序?qū)④囕v的著地寬度與長度、軸距、輪距以及線間距等以變量給出，靠用戶手動輸入，從而可以計算任意車型。根據(jù)填高等變量，程序可算出活載至涵頂?shù)姆植紝挾扰c分布長度，繼而算出涵頂?shù)幕钶d強度。涵頂活載強度計算見表1。

圖1 涵洞計算流程

表1 涵頂活載強度計算

2）模塊二：蓋板計算。此模塊可計算明蓋板與暗蓋板兩種型式。輸入蓋板基本參數(shù)（板厚、鋪裝層厚度、凈跨徑、擱置長度、涵頂強度、填土高度、輪重）后，程序即可計算出蓋板的跨中彎矩與支點剪力，蓋板內(nèi)力按照簡支梁模型進(jìn)行計算。鋪裝層厚度處填“0”時程序按照暗涵計算蓋板內(nèi)力，否則，按照明涵處理?！颁摻詈狭ψ饔命c距底緣距離”處根據(jù)混凝土保護(hù)層厚度計算，按照環(huán)境類型選取相應(yīng)的保護(hù)層厚度；“結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)”、“混凝土抗壓強度”、“混凝土抗拉強度”、“鋼筋抗壓強度”幾個參數(shù)值分別按照規(guī)范要求或相應(yīng)的混凝土與鋼筋的等級選??；“所需鋼筋面積”根據(jù)鋼筋直徑與根數(shù)計算完成后手動輸入；“涵洞形式”如果是暗涵填“0”，如果是明涵則填寫“明涵”。根據(jù)所填寫的鋼筋與混凝土信息，程序即可進(jìn)行彎矩、剪力、最小配筋率和裂縫的驗算。不斷調(diào)整“鋼筋面積”與“板厚”等計算參數(shù)，使驗算結(jié)果滿足要求即可。

計算時，需注意：①本涵洞計算未涉及涵洞的填埋形式，計算土壓力時計算公式均為γH；若為“填埋式”涵洞，應(yīng)將蓋板受力計算結(jié)果×1.4的系數(shù)；②蓋板涵計算斜截面受剪承載力時，由于公路蓋板不配置箍筋，因此，剪力實由混凝土承擔(dān)；③本程序不適用于凈跨徑大于3 m的明蓋板涵，且程序計算的相對保守，未考慮荷載橫向分布情況。

3）模塊三：涵臺計算。本程序蓋板涵基礎(chǔ)采用整體性基礎(chǔ)，因此，涵臺計算采用頂部簡支、底部固定的計算模型進(jìn)行內(nèi)力分析，計算時考慮外側(cè)土壓力與車輛活載的荷載分布。

在頁面“需輸入條件1”中輸入“涵臺高度”信息，“填土高度”、“板厚”、“傳至涵頂?shù)膲簭姟睅醉梾?shù)根據(jù)前兩個頁面自動獲得，程序可計算出涵臺臺身頂部、底部的彎矩與剪力，并計算出最大彎矩及其相應(yīng)位置。在頁面“需輸入條件2”中輸入“邊墻厚”（即涵臺厚度）參數(shù)，“鋪裝層厚度”、“凈跨徑”兩項參數(shù)根據(jù)前2個頁面自動獲得，程序據(jù)此計算彎曲壓應(yīng)力、彎曲拉應(yīng)力、剪應(yīng)力與穩(wěn)定驗算結(jié)果數(shù)據(jù)，不斷調(diào)整涵臺寬度信息，使各項驗算結(jié)果滿足要求。

計算時，需注意：①彎矩最大位置從墻底算起；②涵臺驗算時，材料選用的是漿砌片石，若采用混凝土，則需將驗算項中的“允許σ*”應(yīng)力項換成混凝土材料參數(shù)。

4）模塊四：圓管計算。在需輸入條件表格中輸入圓管“管節(jié)厚度”、“管徑”信息，“涵頂強度”、“填土高度”由前2個頁面自動獲得，程序據(jù)此計算出圓管的彎矩，并進(jìn)行內(nèi)里組合計算出設(shè)計彎矩。在特殊情況下需輸入的條件表格中，設(shè)計者需輸入“鋼筋直徑”與“鋼筋根數(shù)”信息，程序自動算出所需鋼筋面積；“鋼筋合力作用點”、“結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)”、“混凝土抗壓強度”、“混凝土抗拉強度”、“鋼筋抗壓強度”與“計算時取的管節(jié)長度”幾項設(shè)計參數(shù)有設(shè)計者根據(jù)實際情況調(diào)整，可參考蓋板涵計算頁面說明。程序據(jù)此可進(jìn)行管節(jié)彎矩、最小配筋率和裂縫驗算。不斷調(diào)整鋼筋與管節(jié)厚度信息，使各項驗算結(jié)果滿足要求。

計算時，需注意管徑是指圓管涵的半徑。由于圓管管身剪力與環(huán)向壓力較小，可忽略不計，因此本程序僅計算管身彎矩，彎矩的計算公式：

式中：q土、q自、q汽為填土、管自重、汽車荷載產(chǎn)生的垂直壓力；R為管壁中線半徑；λ為土的側(cè)壓系數(shù)，λ=tan2（45°-φ/2）；φ為土的內(nèi)摩擦角。

5）模塊五：地基承載力驗算。此模塊分為蓋板涵地基應(yīng)力驗算與圓管涵地基應(yīng)力驗算。蓋板涵地基應(yīng)力驗算應(yīng)輸入“基礎(chǔ)厚度”一項參數(shù)，程序即可計算出基底應(yīng)力；圓管涵地基應(yīng)力驗算則不用輸入，程序根據(jù)前幾個模塊參數(shù)條件自行計算基底應(yīng)力。

3 程序檢驗

1）蓋板涵檢驗。采用鋼筋混凝土蓋板暗涵，板厚0.2 m，擱置長度0.2 m，涵臺高度1 m，C30混凝土強度，HRB335級鋼筋?；钶d采用一般公路軟件所能計算的公路車輛荷載，將其它所需要的設(shè)計計算參數(shù)信息列入表2，將計算結(jié)果與公路計算軟件結(jié)果對比列入表3。

表2 設(shè)計計算參數(shù)

表3 蓋板涵計算結(jié)果對比

本程序計算時輸入與公路軟件推薦的鋼筋截面面積。由表3中可以看出，截面所受彎矩相同、剪力相差6.3 kN；截面抵抗彎矩相差1.7 kN·m，剪力相差3.9 kN，這幾個數(shù)據(jù)差距不大，且程序計算較為保守，因此，可以采用本程序進(jìn)行設(shè)計與計算。

2）圓管涵檢驗。采用1～1.0 m孔徑型式的鋼筋混凝土圓管涵，壁厚0.1 m，填土高度1.1 m，C30混凝土強度，HPB235級鋼筋。活載采用一般公路軟件所能計算的公路車輛荷載，將其它所需要的設(shè)計計算參數(shù)信息列入表4，將計算結(jié)果與公路計算軟件結(jié)果對比列入表5。

表4 設(shè)計計算參數(shù)

表5 圓管涵計算結(jié)果對比

由表5中可以看出，截面所受彎矩與截面抵抗彎矩相差無幾，且本開發(fā)程序計算較為保守，裂縫計算結(jié)果相同。

3）其它項目檢驗。經(jīng)檢驗，關(guān)于蓋板涵臺與地基承載力，開發(fā)程序與公路軟件皆相差無幾，可以采用。

4 結(jié)論

礦區(qū)道路行駛荷載的特殊性與復(fù)雜性決定了礦區(qū)橋涵的設(shè)計不同于一般公路橋梁。在研究了大量公路涵洞與礦區(qū)涵洞設(shè)計的基礎(chǔ)上，編制了適用于礦區(qū)荷載的涵洞計算程序，可以計算任意車型下的涵頂強度，根據(jù)相應(yīng)的計算模型及公式計算出涵洞的內(nèi)力，推算出合適的涵洞尺寸與配筋。結(jié)合礦區(qū)應(yīng)用較多的涵洞形式，本開發(fā)程序編制出蓋板涵與圓管涵2種涵洞形式的計算模塊，可以計算蓋板、圓管、蓋板涵臺與地基承載力。經(jīng)檢驗，開發(fā)程序與公路軟件在計算公路車輛荷載時，結(jié)果一致，因此認(rèn)為可行。

本程序僅開發(fā)蓋板涵與圓管涵2種礦區(qū)較為通用的涵洞計算模塊，下一步開發(fā)的是箱涵與拱涵2種模塊；已開發(fā)的涵臺計算模塊中，默認(rèn)材料為漿砌片石，下一步將把混凝土材料補充其中，使其更加完善。

［1］ 中華人民共和國交通部.JTGD62—2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 中華人民共和國交通部.JTGD60—2004.公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］ 中華人民共和國交通部.JTG/TD65—04—2007，公路涵洞設(shè)計細(xì)則［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［4］ 中華人民共和國國家計劃委員會.GBJ 22—87廠礦道路設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民計劃出版社，1989：70-88.

［5］ 管楓年，洪仁濟.涵洞［M］.第2版.北京：水利電力出版社，1989.

［6］ 孫家駟.公路小橋涵勘測設(shè)計［M］.第4版.北京：人民交通出版社，2009.

［7］ 孫吉書，楊春風(fēng)，竇遠(yuǎn)明，等.基于交通調(diào)查的重載交通公路橋梁設(shè)計車輛荷載探討［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009（1）：91-95.

［8］ 熊杰.框架橋頂進(jìn)法施工技術(shù)在既有鐵路施工中的應(yīng)用［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2015（55）：139.

【責(zé)任編輯：解連江】

Development of culvert design program under heavy load truck

HUANG Jinfen
(China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Design&Research Institute,Shenyang 110015,China)

Industrial mining area roads often drives heavy trucks,general structures such as bridges and culverts on the road cannot be calculated by the general highway software.From this perspective,the author compiles the calculation software which is suitable for the mining roads'culverts.Combining with the widely used culvert type,the author develops software and compiles slab culvert and round pipe culvert modules.Through examination,the result of developed program and road software is identical when calculating road vehicle load,the program is feasible.

mining area;heavy load;culvert;software compile

TD422

B

1671－9816（2017）04－0075－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.04.022

黃金芬.重載卡車下涵洞設(shè)計程序的開發(fā)［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（4）：75-77.

2016-12-12

黃金芬（1986—），女，遼寧莊河人，碩士，2010年畢業(yè)于東北大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，現(xiàn)在中國科工集團(tuán)沈陽設(shè)計研究院有限公司從事橋梁設(shè)計工作。