箱涵结构设计相关问题探讨

魏俊

摘要：箱涵作为一种重要的涵洞形式，以其结构形式经济合理、跨越能力相对较强以及设计施工简单快速的优势，在公路和市政道路中都得以极为广泛的应用。正是由于箱涵结构比较常规，在工程设计过程中是比较容易忽视的环节，在设计的过程中对各项参数的取值未做仔细的分析，仅是想当然地设计可能造成结构的可靠性不足。有鉴于此，本文对箱涵结构设计的相关参数取值及计算方法进行探讨。对于与箱涵结构类似的下穿通道、电力隧道、综合管廊等也可以供参考。

关键词：  箱涵;土压力;水压力;不利布置;包络设计

在工程建设中箱涵应用的极为普遍，主要得益于其结构跨越能力较强、造价较低、设计和施工方便快速的特点。此类结构比较简单，简化模型就是一个闭合的框架，组成构件为顶、底板和侧壁（若是多孔箱涵则还包括中隔墙）。闭合框架上的作用按随时间的变化趋势分为永久作用（如结构重力、土的重力和侧压力等）、可变作用（如汽车荷载、温度作用、水压力等）、偶然作用（撞击作用等）、地震作用;按对结构是否有利分为有利作用和不利作用。应明确的一点是：永久作用、可变作用、偶然作用、地震作用都不能一概而论为有利作用或不利作用，结构体系是由很多的结构构件组成的，某一构件的不利作用往往是另一构件的有利作用。对永久作用而言，无论对结构构件是有利还是不利都是一直存在的，无需过多的进行考虑;对可变作用而言，则需要对每个构件考虑不利布置，有利的布置区域不应布置可变作用。需要注意的是同一个组合中，永久作用的分项系数应取同一个值（不可有利的取小值而不利的取大值）。偶然作用和地震作用规范规定的很明确，本文不作讨论。

一. 规范中有关作用的讨论

《公路桥涵设计通用规范》中将水浮力归为永久作用，这一点与我们的常识有悖，因为无论是地下水还是江河湖泊的水位都是变化的，浮力也应该是变化的。但是通过仔细分析就会发现：对桥梁结构中实心构件或内外水压平衡的构件无论在何种工况下，如果水浮力需要计入（比如下部结构整体稳定性验算）都应该按照抗浮水位进行计入，否则就直接不考虑（比如验算地基基础时）。了解了这一点，我们在考虑水压力的时候就知道不应拘泥于规范对将水的作用归为永久作用，应考虑水压力对板壳体系面外作用的不利布置，并不是所有的工况都要计入水压力。但应注意的是，如果存在水浮力，则应按照该设计水位的所有并发水压力加载，因为所有与水接触的面必然是存在水压力的。

《公路桥涵设计通用规范》中规定土的侧压力采用主动土压力，这一点规定主要是针对桥台或挡土墙而言的，因为此类构筑物在土压力的作用下会有比较大的位移，使土体达到主动状态下的极限位移，具备形成主动土压力的条件。对于箱涵结构这类的支撑对称结构，由于对撑的影响且结构两侧的土压力基本相当（实施中要求对称填筑施工），不可能出现很大的位移，自然就不具备形成主动土压力的条件，此种状态下的土压力分布形态更接近于静止土压力状态。因而此时再按照主动土压力计算则可能存在土压力取值偏小的问题。那么是否应该按照静止土压力来计算呢？《公路涵洞设计规范》取值为静止土压力系数，《铁路桥涵设计规范》认为水平土压力在考虑填土会受到向上的摩阻力作用下减小，因而在“静止土压力”取值时取小值。同时，《铁路桥涵设计规范》也提出了“在试验资料尚不充分的情况下，对以往标准设计的经验应适当考虑”。由此可知，规范在侧向土压力的取值上尚未完全定论。不过两本规范都指向了静止土压力，准确的说侧向土压力应介于静止土压力与主动土压力之间。另外，由于箱涵并不设置泄水孔，地下水对侧向土压力的影响也十分显著。对于透水性土一般采用水土分算，对于不透水性土一般采用水土合算。水土分算时需注意由于水的浮力，土的侧向土压力会减小，但由水产生的侧压力会增加较多;水土合算时应注意考虑地下水以上和以下土料的c、φ值应相区别，地下水以下土料的c、φ值更小从而使得侧向土压力更大。

箱涵顶板上的覆土受基槽的开挖宽度、放坡系数、覆土厚度、箱涵的外形宽度等因素的影响，覆土竖向压力系数取1.04～1.15，这一系数取值可按照《公路涵洞设计规范》相关规定执行。另外需要注意的是，当地下水位高于箱涵顶部时，地下水以下的覆土应按照饱和容重取值来确定竖向压力。

《公路涵洞设计规范》中规定涵洞设计汽车荷载应采用车辆荷载，这一点跟《公路桥涵设计通用规范》的相关规定是统一的。箱涵顶面的汽车荷载按照车轮荷载的压力扩散线的外轮廓线确定加载范围，由此确定汽车荷载大小;冲击荷载则仍按照《公路桥涵设计通用规范》的相关规定执行，暗涵（填料厚度≥0.5m）可不计入冲击荷载。涵台后由汽车荷载引起的土压力由布置在破坏棱体范围内的车轮总重力除以破坏棱体的水平投影面积后等代为均布土层厚度后确定，需要注意的是：①若箱涵分段设置了变形缝则需要按设缝间距考虑破坏棱体的长度;②车轮总重力应按照最不利的车轮布置确定车轮总重力的最大值。

对于明涵，特别是涵洞顶面没有覆土而只有铺装层时，温度作用的影响也是相当明显的。比如在梯度温度下，由于箱涵顶板受到的约束特别强、刚度比较大，会产生很大的温度应力，因而需要适当的考虑此不利影响，温度作用的取值可参照《公路桥涵设计通用规范》的相关规定。

二. 设计中有关作用取值、组合的讨论

通过前文的讨论，我们知道了作用在箱涵上的作用有箱涵自重、顶板覆土的竖向压力、土侧向压力、汽车荷载、水浮力和侧向压力、温度作用、偶然作用和地震作用等。这里我们不讨论温度作用、偶然作用和地震作用;将地下水产生的各种作用按可变荷载进行考虑。

按照作用的方向划分，自重、覆土竖向压力、汽车荷载为竖向压力;土侧向压力、汽车荷载引起的土侧向压力、地下水引起的土侧向压力变化、水压力侧向（按照水土分算讨论）为水平压力。以单孔箱涵为例，简單的力学分析便可得出以下结论：水平压力越大，则侧壁内力越大，顶底板的端弯矩和轴力越大、跨中弯矩越小;竖向压力越大，则顶底板内力越大，侧壁的端弯矩和轴力越大、跨中弯矩越小。由此可知，无论是竖向荷载还是水平荷载，并非简单的荷载取大值便是最不利的条件，对构件而言，任何一种荷载的取值都有可能影响其内力分布，每一个构件的可变作用不利布置是不同的。

诸如自重、覆土竖向压力等永久作用在任何工况下都是固定存在的，每一种组合都必须将其考虑进去。对于可变作用我们可以分为两种类型：一种是其取值不算太明确的（比如土的侧向压力系数），另一种是取值明确，但可能存在也可能不存在的（比如地下水、汽车荷载等）。为了将各种不利的情况都包络进去，笔者认为可以将计算模型分两次进行设计，这两次设计主要的差异在于对土压力系数的取值不一致。前文提到土压力系数应介于主动土压力系数和静止土压力系数之间，那么我们这两个计算模型的土压力系数分别取值，然后再将两个模型的计算结果进行包络设计，这样就能避免因参数取值不准确而造成结构不利。

对于每一个模型内，因为汽车荷载的分布作为不利荷载、水的存在与否对其他荷载影响比较大。对于汽车荷载的不利分布，可简单的将作用于箱涵顶板正上方、箱涵左侧、箱涵右侧的汽车荷载分别输入，然后将三个工况进行全组合（即穷举所有可能的叠加或包络组合）。为了将地下水因素考虑进来，笔者认为可以按以下步骤进行操作：①按照无地下水输入各项荷载;②输入考虑了由地下水引起其它荷载变化的地下水荷载。比如地下水的侧向压力为10，但引起侧向土压力减少了3.33，则实际输入的侧向水压力应为10-3.33=6.67;再比如顶板收到水的竖向压力为10，但引起覆土竖向压力减少了8，则实际输入的竖向水压力应为10-8=2。这样操作的好处在于将由地下水引起变化的那一部分和地下水荷载归并为地下水荷载，设计时采用相同的分项系数和组合系数，在概念上与实际才是相符的;另外，在输入地下水作用的时候将地下水引发的各种并发荷载一次全部输入，并考虑了由此引起的其他荷载变化，满足各种不同作用的并发性和互斥性，更加真实合理。

三、结语

箱涵作为一种非常简单的结构形式，结构分析十分明确，但是通过上述的讨论，会发现还是会有很多容易忽视弄错的点，说明我们对待任何一种结构形式，无论其看上去多么简单，都要仔细的分析其所有可能受到的荷载工况，并对各种荷载工况的并发性和互斥性进行梳理，分析结构各构件可能受到在的荷载不利布置，在建模模型的过程中对各种荷载有条理的输入，既要避免错漏，也要避免重复考虑荷载。对于某些因试验资料尚不充分无法准确确定的参数，应采取一些变通的手段来确保设计的可靠。总之，规范和计算软件是死板的，设计人员只有充分理解规范条文的用意、熟悉软件的各参数的含义，力学概念清晰并给予足够的重视，才能灵活的采用各种手段来模拟结构真实的受力状态，以实现精准获取结构内力分布，指導各构件的设计。

参考文献

[1] 铁道部;铁路工程技术规范·第二篇·桥涵;人民铁道出版社，1975