盖板涵与钢波纹管涵设计分析

盖板涵与钢波纹管涵设计分析

苗成铭

天津市市政工程设计研究院

摘要：涵洞作为宣泄地面水流而横穿路基的小型排水构造物，在公路工程中有广泛应用，根据已建工程统计，每公里公路约3-5处涵洞。其中盖板涵因其结构简单、受力明确、施工方便成为主选结构形式，同时随着钢波纹管材料的发展，钢波纹管涵被越来越多的应用。本文以某公路项目为依托，阐述盖板涵与波纹管涵的设计原理、设计方法与流程，比较盖板涵与钢波纹管涵的优缺点，并为类似工程提供借鉴。

关键词：盖板涵；钢波纹管涵；设计方法；优缺点

TheAnalysisofSlabCulvertandSteelCorrugatedPipeCulvertDesign

TianjinMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute，Tianjin，300051，China

1工程背景及设计要点

本公路工程全长约75公里，一级公路，红线宽18m，共设置涵洞109道，其中盖板涵32道，波纹管涵48道。工程地处干旱平坦地区，利于开展波纹管涵的应用并在该区域有相应工程经验，综合各种因素确定跨径小于3m处涵洞选用钢波纹管涵洞形式，跨径大于3m处涵洞选用盖板涵或箱涵。

钢筋混凝土盖板涵采用装配式设计，预制盖板按99厘米宽度计算及设计，盖板按两端简支板计算内力，不考虑涵台的水平压力，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行计算和验算。计算暗涵盖板内力时，涵洞顶上活载引起的竖向土压力，按车轮着地面积的边缘向下作30°角分布计算，明涵盖板则按45°角分布计算，土容重18kN/m3。涵台的计算按四铰框架模式进行，涵台按上、下端简支的竖梁计算。盖板涵具体形式如图1.1所示。

（a）盖板涵平面图（b）盖板涵横断面图

图1.1盖板涵图示

钢波纹管涵设计中假定波纹管和土体均为弹性体，不考虑涵洞顶土柱和周围填土间的摩擦力，采用角度分布法计算，半无限弹性体理论核算。对于埋置式波纹管，假定波纹管和土体在界面上没有滑移，它们之间的相互作用通过共同的节点位移实现。当波纹管的柔度达到一定的数值后，稳定问题成为起控制性的因素。因此采用几何非线性的分析方法，从而能够考虑第二类稳定问题，也就是根据当前坐标来建立平衡方程。同样按土柱重理论计算，内摩擦角φ＝30°，波纹管具体形式如图1.2所示。

（a）波纹管涵平面图（b）波纹管涵横断面图

（c）波纹管涵地基布置图

（d）波纹管大样图

图1.2波纹管涵图示

2涵洞设计方法

在公路工程中涵洞的设计首先要确认涵洞的位置，与桥梁设计不同，涵洞位置比较灵活，主要考虑两个方面：排水需求与横向深沟。一方面在某段较长距离道路中需要沟通道路两侧排水满足排水需求，另一方面道路里程中遇到较深较大沟渠时，防止路基冲刷需要设置涵洞联通两侧，这是涵洞设置的主要原因，如图2.1所示。在确定涵洞位置后，需要确定的孔径及形式。涵洞的孔径根据跨越沟渠的大小，另一方面需要进行水文计算，确定涵洞断面流量以确认孔径大小。本设计跨径小于3m处涵洞选用钢波纹管涵洞形式，因为波纹管涵技术虽然较为成熟但是从安全角度出发为选取较大跨径波纹管涵，跨径大于3m处涵洞选用盖板涵或箱涵，箱涵一般适用于较大跨径涵洞，此文不做阐述。确定涵洞跨径及形式后，开展细化设计。本章即介绍水文计算方法，并分别介绍盖板涵及波纹管涵的细化设计。

图2.1地形图

2.1涵洞水文计算及孔径选取

流量是涵洞设计确定其形式和孔径的一个主要数据。公路沿线跨越的小河沟，其汇水绝大多数属于小流域范围内，由于流域面积小，洪峰的淹没范围也小，且洪水历时短，不为人们所注意，沿河沟无水文观测站，因此大多属于无观测资料的情况。目前全国各地公路、铁路、水利部门根据历年实践经验和理论探讨，制定各种小流域流量计算公式和相应的图表，实际运用时，这些公式和图表可做参考，并应以多种计算方法予以比较。在涵洞设计中主要参考《公路涵洞设计细则》，其中给出暴雨经验公式及径流公式用以计算涵洞流量。

2.1.1暴雨推理公式

暴雨推理法是一种半理论半经验的计算方法，通过损失参数和汇流时间，体现地区差异性，公式适用于汇水面积F<100km2的流域：

式中：QP——规定频率为P%的设计流量（m3/s）

SP——频率为P%的雨力（mm/h）

F——汇流面积（km2）

推理公式本身具有统一的模式，通过其中的两个因子，即损失参数μ和汇流时间τ来充分体现各地区的差异性。按超渗产流概念，假定把地面点的损失概况简化为产流历时内损失等于常数，影响损失主要考虑土壤种类、植被、降雨、汇水面积及地形情况等几项。并将汇水区内降水概化为平均净雨过程，假定同一时段的汇水区内净雨相同，主要考虑汇水区特种、降雨量和地形等因素。

2.1.2径流公式

径流形成法是目前公路部门普遍采用的一种计算方法，其径流成因简化公式适用于汇水面积F<30km2的小流域。交通部公路科学研究所暴雨推理公式为：

式中：φ——地貌系数，根据地形、汇水面积F、主河沟平均坡度决定

z——被植被或坑洼滞留的径流厚度（mm）

径流形成法以暴雨资料为主推算小流域洪水流量。它是依据洪峰流量与主要影响因素之间的关系而建立的，认为出口断面的最大洪峰流量是一定的暴雨在流域内经过产瘤与汇流两过程而形成的。为了是公式简单实用，在某些过程作了适当的简化。公式中认为影响流量的主要因素取决于汇水区几何参数、降雨情况、土壤种类及吸水情况，径流及径流厚度以及主河沟粗糙系数等。

2.1.3涵洞孔径选取

在确定涵洞断面流量后，按照无压力式涵洞进行水力计算确定涵洞孔径。按照无压力涵洞计算确定涵洞最小孔径，计算得到盖板涵一般选用的孔径的水利计算表见表2.1。

表2.1涵洞水利计算表

2.2盖板设计

本工程盖板涵跨径以2m盖板涵为例：计算跨径L0=2m，单侧搁置长度0.25m，盖板板端厚d1=22cm，盖板板中厚d2=27cm，盖板宽b=2.5m，混凝土强度等级为C30，主拉钢筋等级为HRB400，主筋直径为18mm，盖板结构图如图2.2。其计算过程此处不做赘述，按以上参数进行设计，抗弯、抗剪承载能力均满足规范要求，如图2.3所示，裂缝验算亦满足要求，如图2.4所示。

图2.2盖板结构图

图2.3盖板抗弯、抗剪承载力验算图示

图2.4盖板裂缝验算图示

2.3波纹管涵设计

2.3.1波纹管涵构造设计

本工程钢波纹管涵以2m直径为例，填土高度最小为0.6m，选择整体式螺旋波纹管以适用于小孔径和浅埋深环境。管壁厚度根据规范可以在2-5mm之间选择，出于安全考虑选择偏大的4mm，相对可行。地基处理方式参考地方规范一般要求，地基选取砂砾垫层，本次设计采用80cm砂砾垫层回填地基。基础埋深因存在季节性冻土存在，计算埋深1.9m。

2.3.2波纹管涵结构验算

根据规范确定波纹管的参数之后，需要进行应力的验算。先要确定荷载，波纹管涵上荷载与其他类型涵洞并无太大差别，汽车荷载考虑了30度的扩散，如图2.5所示。土的重力考虑土拱系数，荷载+恒载的大小随覆土高度并非线性变化，如图2.6所示，在覆土高度小的时候活载比例较大，而当覆土高度大于两米甚至又可以忽略活载，本次设计填土高度为0.6m，活载所占比例较大，对涵洞受力影响较大。不过在通过规范所列公式计算波纹管应力时，结果表明波纹管的承载能力很大，0.6m级别的填土加活载对其应力影响很小。

图2.5活载加载图示

图2.6荷载随填土高度变化图示

获取荷载之后，需进行波纹管轴向应力验算：

为保证波纹钢板结构的稳定性，需进行钢板屈曲验算：

本设计分别试用Q235及Q345钢材进行计算，轴向压应力均为11.4MPa，屈曲应力分别为122.8MPa及138.3MPa，均满足计算要求。

3盖板涵与波纹管涵对比分析

盖板涵作为目前最为常用的涵洞形式有其明显的优势，但随着材料及工艺发展，钢波纹管涵亦逐渐显现其优势：钢波纹管涵造价低，材料费用减小10%~30%；强度高且自重轻，钢材抗拉、抗压、抗剪强度高；施工周期短：工厂化生产，现场拼装；变形适应性强：对基础要求低，能有效减少施工开挖工作量；能够较好解决多年冻土等地基不良地区地基不均匀沉降导致的涵洞开裂破坏问题，变形适应能力强。同时也存在其明显的劣势：国内研究较少，缺乏理论研究，缺乏工程实践检验，缺乏全国性规范；防腐能力有待加强，不适用于南方多雨、潮湿地区湖南地方规范已明令高速公路禁止使用，局限性大，干燥地区推广力度更大。关于盖板涵及波纹管涵的对比分析见表3.1。

表3.1盖板涵与波纹管涵对比分析表

4结论

本文针对盖板涵及钢波纹管涵的设计分析，得到以下结论：

（1）盖板涵与钢波纹管涵的设计可以通过暴雨推理公式及径流公式进行水文计算，用以确定涵洞的孔径及形式，这是涵洞设计中的主要部分。

（2）本工程中涉及到的盖板涵及钢波纹管涵各设计参数能够满足各自受力需求，可为类似工程提供借鉴。

（3）钢波纹管涵较之与盖板涵有造价低、施工简单等特点，值得更加深入研究与推广。

参考文献：

References：

[1]宫俊飞.高填方大跨钢波纹管涵力学性能测试与分析[D].湖南.湖南大学.2016.

[2]郑俊杰，赵建斌.高路堤下涵洞垂直土压力研究[J].北京.岩土工程学报.2009.

[3]JTG/TD65-04-2007公路涵洞设计细则[S].北京.人民交通出版社.2007.

[4]JTGD60-2015公路桥涵设计通用规范[S].北京.人民交通出版社股份有限公司.2015.

[5]顾克明，苏清洪.公路桥涵设计手册[M].北京.人民交通出版社.1991.