淺談雙孔箱涵在城市內(nèi)河整治工程中的應(yīng)用

陳宇明

(湖南省湘鄉(xiāng)市水利局 湖南 湘鄉(xiāng) 411400)

雙孔箱涵是一種受力特性良好，能適應(yīng)各種不同的地質(zhì)條件的超靜定結(jié)構(gòu)，其屬于箱形框架。在歐家港（湘鄉(xiāng)城區(qū)的一條城市內(nèi)河）雙孔箱涵的設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以在不同荷載工況下變化單一設(shè)計(jì)因素，進(jìn)行箱涵結(jié)構(gòu)的試算和深入比較分析，從而得出影響箱涵結(jié)構(gòu)的敏感因素，總結(jié)出鋼筋混凝土箱涵設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的一些問(wèn)題。

1 工程概況

歐家港是湘鄉(xiāng)城區(qū)的一條內(nèi)河，為湘江漣水一級(jí)支流，發(fā)源于湘鄉(xiāng)鋁廠附近的白坨村，流經(jīng)城區(qū)新湘路、望春門(mén)兩個(gè)辦事處及東郊、龍洞兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在歐家港注入漣水河。干流總長(zhǎng)7.05km，干流坡降為1.894‰，全流域面積為10.874 km2。入河口處建有歐家港排漬站，裝機(jī)二臺(tái)2×130kW電機(jī)水泵，排抽流量為2×1.25m3/s，配電變壓器為320kVA一臺(tái)。根據(jù)《湘鄉(xiāng)市歐家港整治工程可行性研究報(bào)告》（2003年編）的規(guī)劃可知，在樁號(hào)6+527處河道底板高程為40.59 m。通過(guò)分段計(jì)算機(jī)編程計(jì)算可知，河段會(huì)形成雍水影響至5+394～5+748之間（此段樁號(hào)以上可按明渠均勻流進(jìn)行水力計(jì)算），并可求出6+527處水位為46.04 m，具體設(shè)計(jì)的雙孔箱涵截面凈空4.85m（寬）×5.5 m（高）×2（孔），箱涵頂覆土深度0.7m，涵頂路面設(shè)計(jì)荷載為汽—20級(jí)（雙車(chē)行駛）。最高地下水位為地面以下1m，最低地下水位在箱涵底板以下。箱涵底板持力層為粉質(zhì)粘土，地基承載力特征值為。試算中，擬定箱涵截面厚度取400mm。

在湖南的氣候資料中，并沒(méi)有歐家港實(shí)測(cè)水文、氣象等相關(guān)資料，歐家港雙孔箱涵的設(shè)計(jì)中也沒(méi)有采用城市降雨徑流模型——修正RRL法或改進(jìn)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，因這種模型通常適合于管網(wǎng)密度大、面積較小的城市流域的下水道和雨水管的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及徑流污染管理。本次歐家港的洪水設(shè)計(jì)采用湖南省水利廳編制的《湖南省暴雨洪水查算手冊(cè)》等相關(guān)手冊(cè)作為依據(jù)進(jìn)行查算。洪水標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）及《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ50-92）規(guī)定，通過(guò)計(jì)算，確定本工程為Ⅳ等，對(duì)工程設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)按十年一遇最大24小時(shí)暴雨洪峰流量標(biāo)準(zhǔn)，即設(shè)計(jì)的重現(xiàn)期為10年（設(shè)計(jì)頻率P=10%）。通過(guò)分析計(jì)算可知?dú)W家港箱涵的流水量為45.8m3/s。

表1 各種荷載組合及最不利內(nèi)力下的內(nèi)力結(jié)果

表2 歐家港6+527~6+640雙孔箱涵配筋計(jì)算成果表

2 箱涵內(nèi)力分析計(jì)算

在歐家港雙孔箱涵的設(shè)計(jì)中，由于箱涵施工和使用階段的受力特征比較復(fù)雜，因此對(duì)箱涵影響最大的三種荷載組合的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算是非常有必要的，通過(guò)計(jì)算分析可以得到箱涵各控制截面的最不利內(nèi)力，并將此作為箱涵截面設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。歐家港雙孔箱涵凈跨徑L0=2×4.85m，凈高H0=5.5m，采用上埋式構(gòu)筑，頂部填土高度H=0.7m，上為0.5m砼路面，兩端回填土按砂性土考慮，容量γ=18kn/m3，浮容量 γ′=9.8kg/m3，內(nèi)磨擦角φ=30°，C=0。箱涵主體結(jié)構(gòu)砼強(qiáng)度等級(jí)為C25，箱涵基礎(chǔ)墊層采用C10砼，受力鋼筋采用HRB335鋼筋，地基為粉質(zhì)粘土，涵頂路面設(shè)計(jì)荷載為汽—20級(jí)（雙車(chē)行駛），歐家港雙孔箱涵可以按三級(jí)建筑物基本組合設(shè)計(jì)。

2.1 荷載組合一

這種組合主要考慮的是箱涵的兩個(gè)箱孔都有水的情況，其具體的受力圖示如圖1所示。圖中PS為箱涵上部的垂直土荷載，Pg為箱涵頂板自重；Pc為車(chē)輛荷載；Pd為地面堆積荷載，在Pd、Pc中取用較大值，gc為管道側(cè)墻自重；Pf為作用于底板的豎向荷載，qs為水平土壓力，qw為最高地下水位時(shí)的水平荷載，qd為地面堆積荷載Pd產(chǎn)生的水平荷載，當(dāng)Pd＝0時(shí)，qd＝0，qc為車(chē)輛荷載產(chǎn)生的水平荷載，qd、qc中只取用較大值，為受力的距離長(zhǎng)度。其中：

可以看出箱底承受的壓力與上表面的荷載pg、pc、ps有關(guān)，這是計(jì)算箱底敏感系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)之一，也是配筋的基本依據(jù)，利用這個(gè)公式能夠方便的計(jì)算出箱涵的荷載。

2.2 荷載組合二

這種組合主要考慮的是箱涵的一孔有水，一孔沒(méi)有水的情況，這樣箱涵的側(cè)壁受力不一致就會(huì)造成箱涵的受力不同。其具體受力情況如圖2所示。

圖中的pt為計(jì)算內(nèi)壓力，當(dāng)沒(méi)有內(nèi)壓力時(shí)，pt=0；q′

w為水的靜水壓力，也是對(duì)箱涵的側(cè)壁產(chǎn)生壓力，qw為最低地下水位時(shí)的水平荷載，其余符號(hào)意義同上。從公式中能夠很明顯的看出，箱涵底部pf的受力情況，主要由箱涵的自重和上部的土壓力造成的。

2.3 荷載組合三

這種組合是針對(duì)當(dāng)箱涵兩孔均沒(méi)有水壓力存在時(shí)的受力作用分析，具體受力情況如圖3所示。

這時(shí)箱涵底部的受力情況為：

此時(shí)計(jì)算箱涵底部的壓力也就是最理想的受力情況，主要考慮的箱涵的自重對(duì)箱涵荷載的影響。

2.4 箱涵截面的內(nèi)力分析

對(duì)于歐家港雙孔箱涵的內(nèi)力分析，主要參查結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)中□形的鋼架相關(guān)內(nèi)力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、疊加，從而得出各荷載組合下的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，分析得到最不利內(nèi)力值，作為箱涵截面設(shè)計(jì)的依據(jù)。歐家港的箱涵為無(wú)壓管，只計(jì)算第一、二種荷載組合下的內(nèi)力，標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下內(nèi)力值如表1所示。

(1)頂板、底板按受彎構(gòu)件計(jì)算，當(dāng)涵內(nèi)有壓時(shí)，還需按第三種荷載組合驗(yàn)算偏心受拉情況，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)v0=0.09。

(2)側(cè)墻按偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，當(dāng)涵內(nèi)有壓時(shí)，還需按第三種荷載組合驗(yàn)算偏心受拉情況，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)v0=0.09。

2.5 裂縫計(jì)算

依據(jù)上面分析的箱涵受力的三種情況，在歐家港雙孔箱涵的設(shè)計(jì)中，當(dāng)計(jì)算截面的受力狀態(tài)處于受彎、大偏心受壓或受拉時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，控制截面最大裂縫寬度Wmax≤0.02mm；當(dāng)計(jì)算截面的受力狀態(tài)處于軸心受拉或小偏心受拉時(shí)，截面設(shè)計(jì)應(yīng)按在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下不允許出現(xiàn)裂縫控制，要能夠全面的控制箱涵承受的壓力，保證箱涵的安全性。

2.6 抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

在歐家港雙孔箱涵的設(shè)計(jì)中，考慮到若發(fā)生大洪水災(zāi)害等因素，因此必須對(duì)箱涵進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算：(1)箱涵截面積較大；(2)箱涵的上層覆土比較淺；(3)地下水位較高。通過(guò)對(duì)箱涵的水位壓力、浮力、抗浮配重、安全系數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析計(jì)算，得出能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求的箱涵抗浮驗(yàn)算結(jié)果，從而減少甚至避免對(duì)施工設(shè)計(jì)的影響。

3 影響雙孔箱涵受力的主要因素分析

通過(guò)對(duì)箱涵受力的三種情況的多次試算及分析，從而得出對(duì)箱涵的內(nèi)力影響較為明顯的因素，這些因素是本次歐家港雙孔箱涵的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮關(guān)注的問(wèn)題。

（1）跨高比。在箱涵過(guò)水?dāng)嗝娌蛔兊那闆r下，選擇合適的高跨比，有利于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，能夠減少箱涵的受力情況。

（2）水位。水位也是影響雙孔橋涵的主要因素之一，比較不同水位下，箱涵的抗浮穩(wěn)定系數(shù)，求出箱涵的安全系數(shù)。

4 配筋計(jì)算

在歐家港雙孔箱涵的設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)箱涵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以及運(yùn)用簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)正截面配筋程序計(jì)算，從而得出雙孔箱涵各桿件配筋的計(jì)算結(jié)果。由于雙孔箱涵為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此只給出了一孔（左孔）數(shù)值，具體如表2所示。

根據(jù)以上歐家港雙孔箱涵各桿件配筋的計(jì)算結(jié)果，可知其截面尺寸滿(mǎn)足要求。該鋼筋的布置既充分利用了抵抗彎矩圖又遵循合理、安全、經(jīng)濟(jì)、方便施工的原則。通過(guò)計(jì)算，歐家港6+527—6+640段雙孔箱涵1m長(zhǎng)，鋼筋砼方量為14.85m3，鋼筋實(shí)配重量為1.38t，配筋量為93kg/m3，配筋量在正常值范圍內(nèi)，配筋簡(jiǎn)明、合理、經(jīng)濟(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

湘鄉(xiāng)市近幾年在城市內(nèi)河整治工程中運(yùn)用雙孔箱涵，從目前的運(yùn)行狀況來(lái)看，是較為成功的，未出現(xiàn)任何問(wèn)題，經(jīng)受了洪水的考驗(yàn)，滿(mǎn)足了城市排水、交通、環(huán)境、防洪的要求。陜西水利

[1]熊啟鈞《.涵洞》.中國(guó)水利水電出版社，2006.

[2]管楓年、洪仁濟(jì).灌區(qū)水工建筑物叢書(shū)《.涵洞》（第二版）.1993.

[3]何燚.涵洞的管理措施 [J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010,(09).

[4]王義成.城市降雨徑流模型——修正RR L法及其改進(jìn)《.水利水電技術(shù)》，2006(6)：19～21.

[5]水利部湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.《湖南省湘鄉(xiāng)市城市防洪工程可行性研究報(bào)告》（HN D/A110k—1—001）.2002.

[6]周興府,楊毅.箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)探討[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2008,(06).

[7]儲(chǔ)小穎.雙孔箱涵計(jì)算及敏感因素分析[J].安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,(05).