朱 磊

（宿州市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 宿州 234000）

對(duì)多孔箱涵型式水閘的交通橋內(nèi)力計(jì)算思考

朱 磊

（宿州市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院 宿州 234000）

通過對(duì)帶有交通橋功能無覆土箱涵式水閘閘室的內(nèi)力數(shù)值定性分析，得出汽車活荷載對(duì)閘室內(nèi)力效應(yīng)具有決定作用，但因其閘室結(jié)構(gòu)使用功能的多重性，要準(zhǔn)確把握設(shè)計(jì)結(jié)果尚有難度。本文提出閘橋柔性過渡結(jié)合的幾點(diǎn)思考，以供此類工程設(shè)計(jì)及施工借鑒。

箱涵 橫向分布系數(shù) 水閘交通橋 柔性組合

多孔整體式箱涵式結(jié)構(gòu)是目前中小型水閘設(shè)計(jì)較常采用的一種結(jié)構(gòu)類型。因箱體結(jié)構(gòu)具有較大的縱橫向剛度，有較強(qiáng)的抗變形能力，且適應(yīng)軟土地基的多方面要求等諸多優(yōu)點(diǎn)，使用較為廣泛。

1 問題的提出

閘室段箱涵橫向內(nèi)力分析及計(jì)算模型簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)化成超靜定平面桿系結(jié)構(gòu)（單位寬度）單元，計(jì)算內(nèi)力。箱涵結(jié)構(gòu)因縱向剛度較大，在一般情況下，縱向內(nèi)力基本不起控制作用，只對(duì)橫向結(jié)構(gòu)計(jì)算模型下汽車荷載內(nèi)力進(jìn)行分析計(jì)算。汽車荷載對(duì)箱涵效應(yīng)影響可大致分兩種：一是有較厚覆土涵洞式箱涵，覆土越厚，活載擴(kuò)散效應(yīng)越明顯，其傳遞到箱涵越少，由其引起的箱涵效應(yīng)占總比例較少，不起控制作用。二是無覆土有交通橋功能箱的涵則不同，可變荷載直接作用在箱涵頂板上，對(duì)閘室尤其頂板局部效應(yīng)影響比較大。為確保閘室結(jié)構(gòu)在使用壽命期限內(nèi)的安全性，須較準(zhǔn)確地計(jì)算箱涵與局部整體板所承擔(dān)的最大活載內(nèi)力情況。

皖北平原多數(shù)水閘不僅擔(dān)負(fù)擋水、泄洪等任務(wù)，兼有公路交通橋功能，整體式箱涵結(jié)構(gòu)水閘其交通橋部位承受汽車荷載作用。其取值依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）4.3.1條。公路荷載分為公路Ⅰ、Ⅱ級(jí)，與之對(duì)應(yīng)，且有車道荷載與車輛荷載之分。水閘箱涵結(jié)構(gòu)引入公路汽車荷載計(jì)算分析時(shí)分為兩種情況：一是箱體框架整體計(jì)算，此時(shí)其頂板應(yīng)施加均布荷載與集中荷載組成的車道荷載；二是局部計(jì)算，此時(shí)則應(yīng)施加車輛荷載。整體水閘箱涵計(jì)算屬于第一種情況。

中小型水閘相關(guān)書籍介紹汽車荷載在其固結(jié)整體連續(xù)板交通橋分布及計(jì)算實(shí)例較少，且橋梁相關(guān)書籍對(duì)水閘箱涵式結(jié)構(gòu)可變荷載分布及內(nèi)力的計(jì)算實(shí)例也介紹甚少。水閘與橋梁兩種使用功能截然不同的建筑物無過渡的直接組合拼接（僅代表部分建筑物），造成了這些中小型水閘兼交通橋復(fù)合結(jié)構(gòu)（整體式箱涵結(jié)構(gòu)閘室結(jié)構(gòu)）計(jì)算的難點(diǎn)。中小型箱涵水閘交通橋（一般雙車道）計(jì)算中先進(jìn)行板梁計(jì)算單元簡(jiǎn)化，則單元板梁分擔(dān)的橫向荷載=汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值×橫向分布影響系數(shù)×橫向車道布載系數(shù)（雙車道一般取1.0）。這里要引入荷載橫向分布系數(shù)的概念：所謂荷載橫向分布系數(shù)（Lateral Distribution Factor ofLive Load）是專指公路車輛荷載在橋梁橫向各主梁（板）間分配的百分?jǐn)?shù)。荷載橫向分布理論在橋梁設(shè)計(jì)中占有重要地位，目前橋梁荷載橫向分布系數(shù)常用的計(jì)算方法主要有杠桿原理法、偏心壓力法（修正偏心壓力法）、鉸接板（梁）法、剛接梁法和比擬正交異性板法（G-M法）等。

2 實(shí)例說明

圖1 7號(hào)閘室單元計(jì)算簡(jiǎn)圖

現(xiàn)以某水閘一聯(lián)三孔箱涵閘室結(jié)構(gòu)為例定性說明車道荷載在其交通橋上分布及作用結(jié)果。設(shè)計(jì)參數(shù)：場(chǎng)地地震基本烈度為6度，閘基持力層為粉質(zhì)砂壤土、飽和重度20kN/m3，滲透系數(shù)1x10-5cm/s，內(nèi)摩擦角計(jì)算取值30°，彈性模量20MPa，泊松比0.3，閘室鋼筋混凝土標(biāo)號(hào)C25，底板高程0，上游蓄水位4.00，下游水位0，交通橋汽車荷載公路Ⅰ級(jí)。7號(hào)閘室單元計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1簡(jiǎn)化單元為具有代表性的7號(hào)單元，為了簡(jiǎn)化工序，習(xí)慣上以此單元計(jì)算結(jié)果作為其他單元設(shè)計(jì)控制條件。值得注意的是，混凝土構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計(jì)值計(jì)算時(shí)，《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008）與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG 60-2015）中關(guān)于構(gòu)件承載力極限狀態(tài)下，永久荷載與可變荷載分項(xiàng)系數(shù)取值不同，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG 60-2015）規(guī)定較大：永久荷載1.2，可變荷載1.4，因本文著重點(diǎn)主要介紹水閘交通橋車道荷載內(nèi)力影響，故取大值。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，汽車沖擊荷載取車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.1倍；汽車制動(dòng)力不考慮（兩側(cè)填土約束影響）；箱涵頂板汽車橫向荷載分布系數(shù)按簡(jiǎn)支整體連續(xù)板（偏保守）經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：v—不均勻系數(shù)，取1.05；

k—車道數(shù)；

n—簡(jiǎn)化單元數(shù)。

計(jì)算得m=0.263。此次取正常蓄水期+車道荷載工況，分別利用Autobank7.51程序?qū)?號(hào)簡(jiǎn)化單元進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算分析，其彎矩設(shè)計(jì)值（kN·m）如圖2。

程序計(jì)算結(jié)果顯示：頂板受車道荷載影響最大，施加車道荷載后頂板跨中正彎矩較之前增大4～5倍，負(fù)彎矩增大2～3倍；底板受車道影響次之，施加車道荷載后底板跨中正負(fù)彎矩較之前增大1.25～1.5倍；邊墩與中墩受車道影響最?。▋舾?.8m），其在0.8～1m厚構(gòu)造尺寸及最小配筋率下，其車道活載影響可以忽略不計(jì)。

上述分析中，雖然車道荷載取值（固結(jié)連續(xù)整體板）僅由經(jīng)驗(yàn)公式得出，但計(jì)算結(jié)果也具有導(dǎo)向作用。由此可知，水閘與交通橋相結(jié)合的無覆土箱涵閘室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)注意：車道荷載效應(yīng)影響起著決定性作用，對(duì)不同部位的影響度對(duì)比相差成倍數(shù)關(guān)系，設(shè)計(jì)人員依據(jù)的現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范往往也帶有個(gè)人取舍傾向，造成此種水工建筑物設(shè)計(jì)的相對(duì)復(fù)雜性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在滿足水閘擋水、過水基本功能前提下，按其構(gòu)造尺寸進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，交通橋板、底板及墩墻配筋率相差很大；為節(jié)約建材并充分發(fā)揮材料強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，各構(gòu)件設(shè)計(jì)宜區(qū)別對(duì)待，例如頂板等高配筋率構(gòu)件應(yīng)提高材料等級(jí)或頂板直接簡(jiǎn)化引用相應(yīng)板梁圖籍。

圖2 7號(hào)簡(jiǎn)化單元內(nèi)力計(jì)算彎矩設(shè)計(jì)值簡(jiǎn)圖（kN·m）

3 結(jié)語

（1）整體箱涵結(jié)構(gòu)適用上部有較厚覆土情況，覆土既減少了結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，同時(shí)又分散上部傳來的汽車活載，使其不成為設(shè)計(jì)控制因素。

（2）中小型水閘在一定情況下可采用無覆土整體箱涵結(jié)構(gòu)，但應(yīng)充分考慮遠(yuǎn)近期汽車荷載作用，或舍去交通橋功能，僅其發(fā)揮單一擋水過水作用。

（3）大中型規(guī)模水閘與交通橋結(jié)合構(gòu)造上應(yīng)采用柔性過渡結(jié)合方式，從而分開建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，為方便設(shè)計(jì)人員應(yīng)用不同行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，提供清晰明朗的選擇。

（4）柔性過渡結(jié)合方式：設(shè)計(jì)為帶有柔性橡膠支座的板梁結(jié)構(gòu)，保證交通橋底板基礎(chǔ)為剛性基礎(chǔ)；水閘前（后）直接毗鄰設(shè)置單體交通橋，并利用水閘邊墩構(gòu)件作單體交通橋橋臺(tái)等；利用堤防作為引橋。有效的閘橋柔性過渡結(jié)合體既可以提高工程普遍適用性，又大大提高了工程使用效率■