加-第六章--涵洞结构计算详解

第六章涵洞结构计算第一节涵洞结构计算概要—、概述涵洞在各种外荷载的作用下的内力计算，由强度和稳定条件的要求的确定涵洞断面尺寸，结构及钢筋配筋的数量。洞身的结构计算：1涵洞外荷载计算；2钢筋混凝土圆管涵计算；3钢筋混凝土盖板涵计算．4钢筋混凝土箱涵计算等。二、涵洞受力特点及受力图式1涵洞受力特点1）涵洞与土体共同承受外荷载涵洞除承受填土自重外，还承受经路堤传送下来的车载。当路堤填土高度在0．5m以上时，填土减弱了车辆荷载对涵洞的动力影响，故一般不计冲击力。涵洞受到外荷载一般由涵洞洞身和周围的土体共同作用(明涵除外)，其承载陡都有所提高。明涵，其受力条件和计算方法与桥梁相同。2）涵洞的受力与施工方法有关（1）顶推法施工为避免在涵洞施工中进行大开挖，或为保证已成路基生性时用。仅在距地面较深处取土，施工中被扰动的土体仅限同周围较近的土体。作用于涵洞上部压力为与涵洞顶宽相对应的拱内部分的土压力。2)沟埋式施工主挖方地段设置的涵洞一般施工时多先挖沟槽，然后放置施工涵管，再进行回填。回填时填土必然要产生沉降变形，槽壁对会填土产生摩擦力，涵洞上的土压力一般小于沟内填土柱的重量。(3)填埋式施工在填方地段的涵洞，一般是先安装涵洞，然后再在其上分层填筑路基。涵管两侧填土的可压缩性较刚性涵身的可压缩性大得多。涵洞两侧的填土厚度也大于管顶填土厚度。涵身两侧土颗粒的垂直位移大于涵身上部土颗粒的垂直位移，从而将产生方向向下的摩擦力。作用于涵顶上的垂直土压力增加，除涵顶部的土柱质量外，还应包括向下的摩擦力，涵洞的垂直和水平力将逐渐增加。3）涵洞的受力与洞身变形有关E——管料弹性模量ES——回填土的压缩模量t——管壁厚；r——管的平均半径。1)(1)(33rtEErtEESS刚性管柔性管2．在各种情况下，涵洞受力及变形图式情况一：涵洞基底变形，未压实的路堤沉降·由于涵顶土柱加涵身自重对基底的压力小于邻近路堤对基底的压力：①涵洞下的基底沉降小于邻近的路堤下基底的沉降:②洞顶填土对涵洞的压力小于洞顶土柱的重力1)柔性涵管——四种受力情况FPPBZ情况二：涵洞基底不变形，而路堤有沉降洞顶填土对涵洞的压力小于洞顶填土土柱的重力，即：涵洞直径竖直方向减少ΔD值，水平方向增加ΔD值。FPPBZ情况三：基底变形，但路堤压实很好不发生压缩变形此时涵洞下及邻近路堤下的基底变形相同，涵洞的压力等于洞顶土柱重力。情况四：基底不变形，路堤压实不好涵洞横向扩大纵向压缩（图中未示）FPPBZ2）刚性管情况一：涵洞基底变形，未压实的路堤沉降①刚性涵洞的基底压力和沉降，一般较邻近路堤下为大。②填土作用于涵洞上的压力，大于洞顶土柱的重力。③涵洞变形，竖直方向直径减小，水平方向直径增加。FPPBZFPPBZ情况二:涵洞基底不变形，路堤有沉降①填土作用于涵洞的压力，大于洞顶土柱的重力。②涵洞变形不影响其上的压力数值。情况三：基底变形，路堤压实很好，不发生压缩变形。整体沉降情况四：基底不变形，涵上路堤压实良好。填土对涵洞产生的压力等于洞顶土柱重力结论：(1)对铰式涵洞，填土对涵洞的压力总是小于或等于洞顶土柱重力；对于刚性涵洞，其洞顶上的土压力总是大于洞顶土柱重力。(2)从实用角度看，情况一和情况二最为常见；(3)从受力的角度看，铰式体系比刚性体系更为有利。第二节涵洞土压力及外荷载计算一、垂直压力1．填土对洞顶的垂压力1)采用开槽法修建涵的公式假定管顶填土压力一部分由涵管承受，一部分由沟槽边摩擦力分担。除无粘性的砂及卵石外，槽边摩擦力颇大，可减小涵管的压力。普通土吸水饱和时，上述摩擦力或粘结力减小，涵洞所承受的荷重加大。涵洞承受的最大荷载：2vgCB2）采用柔性圆管时：假定土完全湿润，无摩擦力：3）采用刚性圆管时：HgvHvDCg2．车辆货载对涵洞的垂压力1）车辆荷载与分布(1)车辆荷载作用于涵洞上的重直压力与洞顶填土高度、路堤内压力分布情况有关。计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车辆或履带按其着地面积的边缘下作30度角分布。(2)当几个车轮或两条压力扩散线相重叠时，则扩散面积以最外边的扩散线为准。当填土厚度等于或大于4m时，亦可按半无限弹性体理论计算。2）竖向应力计算（1）地面上只一个集中力σv——计算某点的竖向应力(kh)；P——集中荷载(kN)；H——半无限体内某点距地面的深度(m)；R——施力点与计算点间的距离(m)。最大竖向力发生在通过施力点的竖轴上。5323RPHV(2)当地面作用为矩形面积，均布荷载时式中：p——矩形均布荷载(kPa)；α——系数，由表6-5查得，离地面越远，值越小。pv二、水平压力1．填土产生的水平压力式中：qh——填土的重力对涵洞的水平压力(kPa)；γ——土的容量(kN／m3)；h——计算截面至路面顶的高度(m)λ——侧压力系数，按下式计算：φ——土的内摩擦角hqh)45(tan022．车辆荷载引起的水平压力车辆荷载引起的土侧压力，可将其换算成等代均布土层厚计算：γ——土的容重(kN／m3)，B——车辆荷载压力分布的计算宽度(m)；lo——车辆荷载压力分布的计算长度(m)；∑G——为布置在B*lo面积内的车轮的重力(kN)。0BlGh车辆荷载引起的水平压力也可按下式简化计算：HlP第三节常见涵洞结构计算二、钢筋混凝土盖板涵结构计算包括钢筋混凝土盖板、涵台、底板和附属结构的计算。钢筋混凝土盖板的计算方法1．基本假定1)单孔按简支梁计算，多孔按连续梁计算；2)盖板的两端为铰支撑在台身上端，台身下端与基础固结，盖板内力计算不考虑涵台传来的水平力；3)板的长度与宽度的比值等于或大于2时，可按简支单向板计算4)计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖压力时，车辆或履带按其着地面积的边缘300分布。当多个荷载作用扩散线相互重叠时，以面积最外边的扩散线为准。2．步骤及方法1）初拟断面尺寸盖板厚度、盖板长度、涵台高度、涵台宽度以及基础、底板尺寸等。初拟尺寸可参考已有涵洞的经验尺寸和相关的标准图、参考图拟定。2)外荷载计算(1)恒载盖板顶填土垂直压力盖板自重hgz1Hg（2）车辆荷载引起的垂直压力顺板跨方向的分布宽度横板跨方向的分布长度a,b——荷载传到涵顶的分布宽度与长度(m)；A1、b1——荷载作用在路面的宽度与长度(m)；0130tan2Haa0130tan2HbbabPp3）荷载组合及内力（1）跨中弯矩：hlllggMppz02)(81恒)1)(2(4clpcMp活lp——盖板计算跨径(m)lo——盖板净跨径(m)；h——盖板厚度(m)。c——压力扩散面积的长度c=a，1+μ——冲击系数，按规范取用。(2)支点剪力(3)荷载组合：《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》000)2()(21lclpcQlggQz活恒4)截面设计(1)板的有效高度计算；(2)纵向受拉钢筋截面积（用考虑安全系数后的弯矩）。5)正截面强度验算6)斜截面抗剪强度验算