公路高填方圆管涵设计

[摘 要] 对常用几何尺寸不同填土高度下的圆管涵结合有限元应力云图及有限元计算结果对不同工况下圆管涵控制断面及控制设计的弯矩进行了分析，绘制了弯矩图，并给出结构設计建议。

[关键词] 有限元 圆管涵 高填方

文献表明，运营中的高填方涵洞约有63.5%出现裂缝，其中70%为纵向开裂。在现实工程中，往往还会出现一些常规不易解释的现象，如对涵洞地基处理的越好，涵洞开裂的反而越多，即地基承载力越高，变形越小，开裂的越多；对于在软土上修筑的涵洞地基，若用桩基础处理，涵洞几乎均出现裂缝甚至破坏而导致不能正常使用。通过分析高填方涵洞在应用中存在的各种病害，发现存在的问题主要表现在两个方面：在进行高填方涵洞设计时，一些高填方涵洞采用的土压力值偏大，使得涵洞结构尺寸过分保守，造成经济上不必要的浪费；另一方面，由于部分高填方涵洞凭经验比拟设计，过分强调拱效应作用，使涵洞结构尺寸偏小，导致部分高填方涵洞在施工期间或填土完成后即出现不同形式的开裂破坏，增加了后期加固维修费用，同样造成经济上的浪费。因此，对高填方下圆管涵的结构进行优化研究显得尤为重要。

一、有限元分析

建立圆管涵数值计算模型，涵洞的孔径为0．5～1．5m，涵顶填土高度为10～40m，模型计算宽度为20m，地基土厚度为10m。计算模型如图1所示：

图2、图3为0．5m和1．5m圆管涵结构内外侧应力分析图。由图可知，孔径为0．5～1．5m圆涵在填土高度10～40m范围内结构受力性状基本一致。

根据有限元仿真计算结果，在40米填土下不同孔径的圆管涵弯矩图如下：

由图可知，圆涵正弯矩最大值出现在管顶，最大负弯矩值则出现在管侧C点，即0。位置处。弯矩分布规律为管顶呈现最大正弯矩，这是由管顶填土应力集中所致，顺管壁自顶向下，弯矩值逐渐减小，到π/3处，弯矩值减为0，接着弯矩值逐渐增大为负弯矩，至管侧弯矩达到负的最大；随后，弯矩值再次逐渐减小，至管底约-π/3处为0，而在管底B点，由于地基反力的作用，弯矩又出现较大的正弯矩。在相同填土高度下，弯矩值随圆涵孔径的增大呈线形增长，最大值出现在涵顶，达到234．66kN·m。

二、内、外层钢筋控制截面内力各种计算方法的分析比较

由水工规范计算的平基涵管、弧形土基涵管和由给排水规范计算的H>1．5m时的弧形土基涵管以及公路、铁路手册计算的涵管，内层钢筋控制截面为管底截面，由给排水规范计算的≤l.5m弧形土基涵管、刚性座垫涵管，内层钢筋控制截面为管顶截面，由灌区水工建筑物丛书·涵洞计算的混凝土刚性座垫涵管内层钢筋控制截面在填土高度较小(<4．0m)时一般为管底截面，而在填土高度较大(H≥4．0m)时一般为管顶截面，但圆心角为180。的刚性座垫涵管全部为管顶截面。

根据已制涵管构造图集(内、外层配筋相同)和每米长度分别增加1圈、2圈、3圈钢筋的涵管进行承载力分析．分别计算设计弯矩、开裂弯矩以及裂缝宽度为0．2mm时的弯矩．与前面计算的内力相比较列如下表：

对于不设置刚性基座的圆管涵，在这种填土荷载的作用下，最大周向拉应力出现在管顶和管底的内壁处以及圆管两侧的外壁处。当拉应力过大时，管顶内壁和管侧外壁都将开裂。结构分析和工程实践都表明．这种结构形式的圆管涵承载能力很低，一般填土达到5～6m时就可能开裂。其结构受力的特点是，两侧水平位移很大，圆形截面变成椭圆形截面。针对这种不利的受力变形情况，如果设置一个能具有充分的侧向约束的刚性基座，则圆管上半部分相当于拱结构，这样可以大幅度的降低圆管顶部的拉应力。从而大幅度地提高其承载能力。

三、结论

一般来说，高填路堤下涵洞多修建于山区及西部黄土地区，环境比较恶劣，在设计受压涵洞时，选型中应考虑各种因素影响。选取圆管涵应注意：

(1)对于圆管涵，管顶受填土垂直荷载作用，管底受基础反力作用呈现较大应力集中，在此二位置管壁外圈受压，内圈受拉。管壁弯矩随填土高度孔径增大而增大。圆管涵结构属于钢筋混凝土结构体系，混凝土骨料可以就地取材。为了适应运输、安装和维修养护的要求，圆涵孔径不宜大于2．0m或小于0．5m。当涵洞设计流量大，涵洞孔径要求较高时，则不宜选用。

(2)对于基础的选用，由于公路规范没有规定，常常被忽视，在设计高填方圆管涵时，应该选用圆心角为180。的刚性基础。

参 考 文 献

[1]《高填路堤下圆管涵典型断面研究》周文欢等 公路交通科技 2010.02

[2]《钢筋混凝土圆管涵内力分析与承载力验算》高洪波等 信阳师范学院学报2001.7■