箱涵設(shè)計中的車輛荷載計算探討

陳宜健

（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060）

0 引言

按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.3.4條規(guī)定：計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布。文章利用有限元軟件MIDAS Civil建立板單元模型，按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）車輛荷載進(jìn)行加載：第一種是按車輛荷載直接加載；第二種是按車輪向下擴(kuò)散為豎向土壓力加載。分析兩種結(jié)果的差異及其原因，提出箱涵結(jié)構(gòu)在車輛荷載計算中的幾個注意問題。

圖1 車輛荷載

1 結(jié)構(gòu)計算

選取單孔箱涵為計算分析模型，結(jié)構(gòu)尺寸為B×H=4 m×5 m，箱涵長度取10 m一節(jié)，按兩車道布載，車輛重力標(biāo)準(zhǔn)值為550 kN。

加載時，第一種先用建立兩車道面，再加載車輛荷載（見圖1）；第二種按車輪著地寬度及長度（0.6 m×0.2 m）向下作30°擴(kuò)散為豎向土壓力加載（見圖2）。其中有關(guān)車輛荷載產(chǎn)生的豎向土壓力計算，可按照參考文獻(xiàn)[1]中的方法計算，在此不再重復(fù)討述。計算車輛荷載產(chǎn)生的豎向土壓力時，按實(shí)際位置和擴(kuò)散范圍加載。

填土高度分別取 0.5 m、0.6 m、0.7 m、0.8 m、0.9 m、1.0 m，箱涵頂面由車輛荷載產(chǎn)生的土豎向壓力均布值Pcr見表1。

為方便分析兩種加載方式內(nèi)力的差異，取頂板跨中截面彎矩作為研究對象，兩種加載方式內(nèi)力分別見圖3、圖4。

按填土高度的不同，將兩種加載方式的計算結(jié)果列于表2。

圖2 車輛荷載產(chǎn)生的土壓力

表1 車輛荷載引起的土壓力

圖3 車輛荷載彎矩圖

圖4 車輛荷載產(chǎn)生的土壓力彎矩圖

2 結(jié)果分析

由表2可以看出，第一種“按車輛荷載直接加載”與第二種“按車輪向下擴(kuò)散為豎向土壓力加載”的計算結(jié)果存在差異，而且填土高度越小，計算結(jié)果差異越大。兩種加載方式差異的原因有以下幾點(diǎn)：

（1）計算車輛荷載產(chǎn)生的土壓力Pcr時，其值實(shí)際為兩車道范圍內(nèi)疊加的最大值，加載時車輪擴(kuò)散范圍內(nèi)均取該值作為計算荷載，導(dǎo)致計算結(jié)果偏大；

（2）車輛荷載直接加載時，內(nèi)力主要集中在車輪軌跡范圍，而按車輪向下擴(kuò)散為豎向土壓力加載時，荷載擴(kuò)散為均布荷載，當(dāng)填土高度越大時，這種均布荷載更接近實(shí)際情況。

表2 頂板跨中每延米彎矩最大值

3 結(jié)語

針對箱涵的計算方法有多種，計算原理基本相同，但各種方法的計算結(jié)果又存在一些差異。結(jié)合規(guī)范和工程實(shí)際，提出箱涵結(jié)構(gòu)在車輛荷載計算中的幾個注意問題：

（1）填土高度較小時，宜采用車輛荷載直接加載，避免荷載效應(yīng)過大；

（2）填土高度較大時，采用車輪向下擴(kuò)散為豎向土壓力的加載方式更接近實(shí)際情況；

（3）計算車輛荷載產(chǎn)生的土壓力Pcr時，均布荷載在車輪擴(kuò)散范圍內(nèi)采用兩車道疊加的最大值，會導(dǎo)致計算結(jié)果偏大；

（4）箱涵計算時，宜采用每延米內(nèi)力結(jié)果，以反映結(jié)構(gòu)在局部加載等不利情況下的受力性能。