浅谈大跨径箱涵在库区公路中的应用及计算分析

作者：昌 盛 王广武

来源：《科技视界》 2014年第1期

昌 盛 王广武

(中国水电顾问集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

【摘 要】箱涵广泛应用于库区公路建设，具有适用于软土地基、施工工期短、工程造价低等优点。在地质条件较差和蓄水期限逼近的情况下，利用大跨径箱涵替代小跨径桥梁，可以达到降低成本、满足工期和使用功能要求的效果。箱涵一般视为支承在半无限弹性地基梁上的空间结构，本文利用弹性链杆模拟弹性地基梁对箱涵进行空间结构分析，供设计和施工参考。

【关键词】大跨径箱涵；库区公路；半无限弹性地基梁；弹性链杆

０ 引言

库区公路通常为低等级环山公路，沿线区域水量充沛，流量较大的自然冲沟和小跨度河流较多，因此，需要设置的小跨径桥梁也相应较多。若遇到地质条件较差如断层发育、岩体破碎、软土地基等情况，一般采用加大孔径、增加桥孔、增设或者加长桩基的做法，从而导致工程成本的增加以及工期的拖延。大跨径箱涵对地基承载力要求不高，有充足的过流能力，施工工艺简单，工程造价较低，在地质条件较差和蓄水期限逼近的情况下，利用大跨径箱涵替代小跨径桥梁，可以达到降低成本、满足工期和使用功能要求的效果。

国内跨径5m以下的箱涵通常可以套用《钢筋混凝土箱涵通用图》，跨径5m以上的箱涵需要根据实际条件自行计算和设计。箱涵的计算模型一般简化为整体闭合式框架结构，横向宽度取1m。箱涵计算的难点在于其底板支撑在半无限弹性地基梁上，采用弹性力学和理论力学进行手算十分复杂。随着计算机的普及和发展，利用有限元软件进行箱涵结构分析具有精度高、速度快等优点。箱涵的有限元分析关键在于边界条件的正确模拟，以往为计算简化，把箱涵底板两端视为刚性支撑在地基上，这种计算方法偏不安全，与实际受力状况偏差较大。本文结合实际地质条件，借助于有限元分析软件MIDAS civil 2011，将弹性地基梁模拟成多点支撑的弹性链杆，对箱涵进行整体框架分析，这样的分析结果更加接近实际受力状况，根据其结果进行结构及配筋设计的箱涵更为合理经济。

１ 工程应用

箱涵以其独特的优点广泛应用于公路建设中，大跨径箱涵在库区公路中应用较为常见，一般是替代实施难度大、工程造价高的小跨径桥梁。下面简单介绍库区公路建设过程中大跨径箱涵替代小跨径桥梁常见的几种情况。

１）现场实施时发现原设计小桥墩、台基础地质条件较差，若全桥增设或加长桩基，会导致原设计造价大幅增加，采用大跨径箱涵则可以大大降低造价。小桥取消后，路基大多为高填方路基，采用其他形式的涵洞对地基承载能力要求较高，而采用箱涵可有效减少对地基承载力的要求，更加适用于现场实际情况。

２）当小桥跨越的溪沟为泥石流沟时，受泥石流冲刷后的地基通常为软土地基，不宜作为桥梁的基础，同时泥石流爆发容易对桥梁造成破坏，导致桥梁的加固和维护成本提高。大跨径

箱涵不但适用于软土地基，并且由于其整体性好，受泥石流冲刷时的损坏较小，而且受泥石流破坏后的加固和维护成本也相对较低。

３）库区公路建设受电站下闸蓄水期限影响，建设工期一般比较紧张，而控制进度的大多为桥梁工程。对于蓄水在即，尤其是下部基础难以在蓄水前完成的小桥，可以考虑用大跨径箱涵替代，因为箱涵的施工工艺成熟、施工难度低、施工周期短，这样就避免了桥梁基础的水下施工，同时也满足建设工期的要求。

２ 实例计算

２．１ 工程概况

某库区一复建公路在某一桩号处原设计为单跨拱桥，由于横跨泥石流沟沟口，两侧为高填方路基，且为浸水路基，路基稳定性相对较差。为降低施工难度，满足工程进度以及后期维护等方面的要求，经综合考虑，将原方案的拱桥改为8m×3m的箱涵。涵洞布置图如图1所示。

２．２ 结构受力

箱涵主体结构尺寸：箱涵的净跨径为8m，侧墙净高为3m。箱涵的顶板、底板、侧墙厚度均取为700mm，梁端的加腋构造为200mm×200mm倒角。箱涵底部分别设10cmC30砼垫层和1m厚砂砾石换填层。

结构计算的基本假设：（1）箱涵及两侧路段为同一匀质地质条件，不考虑地基土的不均匀沉降；（2）箱涵侧墙所受的水平土压力为主动土压力，墙背光滑。简化后结构受力图示意图如图2。

２．３ 计算分析

荷载作用:涵身所受荷载一般包括涵身自重、顶板的填土压力、侧墙的水平土压力以及汽车荷载。对于本例，汽车荷载取公路-Ⅱ级，并计入冲击力，汽车荷载等效土压力按车轮外边缘45°扩散作用。

边界条件模拟：箱涵一般视为支撑在半无限弹性地基梁上，而目前有限元分析软件尚未能准确地模拟弹性地基梁，本文利用弹性链杆来模拟。链杆的支承刚度根据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》中的相关规定确定，链杆的竖向抗力系数C0=m0×h，m0由箱涵基础所处岩石类别确定，结合实际地质条件本例m0取3×104 kN/m4。综上所述，本文利用MIDAS civil 2011对箱涵进行有限元分析，建模模型见图3。

箱涵所受的荷载作用按承载能力和正常使用两种极限状态自动组合，在最不利的荷载组合下箱涵弯矩包络见图4。

计算表明：抗弯最不利截面分别为顶板跨中正弯矩Md1=2128.4 kN·m，侧墙端部负弯矩Md2=-1888.2 kN·m。在同样条件下，若把箱涵底板两端视为刚性支撑在地基上，则计算得到的抗弯最不利截面分别为顶板跨中正弯矩M′d1=10.0 kN·m，顶板端部负弯矩M′d2=-1875.2 kN·m，控制截面计算内力值偏差达12.6%，这种偏差值随着跨径的增大而增加，因此基于把箱涵底板两端视为刚性支撑在基础上的计算结果是偏不安全的。

研究发现，箱涵内力会随着的弹性链杆支承刚度的变化而变化，本文取箱涵顶板跨中正弯矩、底板跨中负弯矩、底板端部正弯矩为研究对象，链杆的竖向抗力系数由3×10 kN/m4变化到3×106 kN/m4，在同一荷载组合作用下，计算结果如下图5所示。

图中可以看出顶板跨中正弯矩基本不受链杆的竖向抗力系数变化的影响，而底板的端部和跨中弯矩值在链杆的竖向抗力系数m0达到3×103 kN/m4之后，继续增大m0，变化很明显，同时也说明随着链杆的竖向抗力系数提高，箱涵受力越良好。

３ 结语

本文简单介绍了大跨径箱涵在库区公路建设中的应用情况，在小跨径桥梁实施困难、工程造价高的情况下，通过替代小跨径桥梁体现了大跨径箱涵的地质条件要求不高、施工工期短、工程造价低等优点。但大跨径箱涵应用也有其局限性，对于覆土高度较高的箱涵，箱涵一般比较长，造价偏高，在同等条件下做桥可能会更经济，因此需要根据情况确定做桥或箱涵。

箱涵一般视为支撑在半无限弹性地基梁上的封闭框架结构，本文通过计算对比箱涵底板刚性支撑在地基和用弹性链杆支撑在地基上的两种情况，得出结论前者计算结果偏不安全，后者更接近实际受力状况，同时还研究了箱涵受力随链杆刚度变化而变化的情况。本文是基于地基

均匀沉降的假设，实际很难保证这一点，而地基的不均匀沉降使得箱涵受力更为复杂，这一方面值得更深一步的研究。

【参考文献】

［１］JTG/T D65-04-2007 公路涵洞设计细则[S]．中华人民共和国交通部发布，2007.

［２］周一勤，吴连勋.地基不均匀沉降对箱涵内力影响的探讨[J].中南公路工程，2002，9.

［３］廖子泗.大跨径箱涵的设计及应用[J]．西部交通科技，2006（05）.

［４］罗桂新，郎李斌.浅谈库区公路建设[J].山西建筑，2008，08（24）.

［５］唐红梅.用弹性地基梁法进行沟埋式箱涵的结构计算[J].地下空间，2001，12（05）.

［６］JTG D63-2007 公路桥涵地基与基础设计规范[S]．中华人民共和国交通部发布，2007.

［责任编辑：丁艳］