鋼筋混凝土圓管涵豎向土壓力計(jì)算方法_譚冬蓮

1、第24卷第1期2004年1月長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Chang an University (Natural Science Edition Vol .24No .1Jan .2004收稿日期:2003-03-18作者簡(jiǎn)介:譚冬蓮(1971-,女,湖南攸縣人,同濟(jì)大學(xué)博士研究生.文章編號(hào):1671-8879(200401-0040-03鋼筋混凝土圓管涵豎向土壓力計(jì)算方法譚冬蓮1,方志2(1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系,上海200092;2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙410082摘要:埋設(shè)在高等級(jí)公路中的鋼筋混凝土圓管涵屬于上埋式管涵,作用于其上的豎向土壓力影響因素繁多,分析極

2、其復(fù)雜。運(yùn)用實(shí)測(cè)結(jié)果修正有限元結(jié)果的方法,提出了上埋式鋼筋混凝土圓管涵管頂豎向土壓力計(jì)算公式,并與各國規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。比較結(jié)果表明所給出的計(jì)算公式表達(dá)式簡(jiǎn)捷,系數(shù)確定可靠,便于工程設(shè)計(jì),能保證工程運(yùn)用的安全、經(jīng)濟(jì)。關(guān)鍵詞:上埋式圓管涵;豎向土壓力;有限元分析;現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中圖分類號(hào):U448.34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ACalculation method of vertical earth pressure on circularreinforced concrete culvertTAN Dong -lian 1,FANG Zhi2(1.Department of Bridge Engineer

3、ing ,Tongji University ,Shanghai 200092,China ;2.School of Civil Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China A bstract :There are many factors to influence the vertical earth pressure on the reinforced concrete culvert ,so it is ver y difficult for the analysis .The calc ulation for mula of

4、 the pressure was put for ward ,it can be calculated with finite -element analysis .With an exa mple ,it was corrected by field test r esults .It is indicatedthat the for mulation is rational and feasible by means of the comparison with the results from the codes .Key words :pipe culvert under emban

5、kment ;vertical earth pr essure ;finite -element analysis ;field test0引言埋設(shè)在高等級(jí)公路中的鋼筋混凝土圓管屬于上埋式圓管涵,對(duì)于這種具有一定填土高度的圓管涵,所受的荷載主要是恒載土壓力。一方面,豎向土壓力對(duì)圓管施加可能導(dǎo)致開裂的不利作用;另一方面,側(cè)向土壓力對(duì)圓管施加側(cè)向約束從而產(chǎn)生減少圓管開裂趨勢(shì)的有利作用。因此,研究上埋式鋼筋混凝土圓管涵的核心問題是作用于結(jié)構(gòu)物上的豎向土壓力的計(jì)算。由于以前對(duì)上埋式管道的豎向土壓力計(jì)算方法不甚合理,往往使土壓力計(jì)算值與實(shí)際受力狀況出入過大,造成工程事故甚至整個(gè)工程失誤。這種狀況,在一些

6、填土高度不大、結(jié)構(gòu)外部跨度也不大的情況下,常被結(jié)構(gòu)本身的安全度所掩蓋而僥幸地發(fā)現(xiàn)不了問題。因此,在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)這種實(shí)際與理論計(jì)算的矛盾未曾引起應(yīng)有的重視。但是近10年來,隨著高等級(jí)公路的迅猛發(fā)展,填土高、跨度大的上埋式管涵的不斷增多,這個(gè)課題就突出了。中國各設(shè)計(jì)部門,在不同時(shí)期廣泛使用著各種不同的管涵土壓力計(jì)算理論,如馬斯頓的散體極限平衡法1、土柱法2、卸荷拱法、壓力集中系數(shù)法1。壓力集中系數(shù)法管頂土壓力以土柱重量乘以一增大倍K s 值,這種表達(dá)形式簡(jiǎn)捷,設(shè)計(jì)人員樂意接受,但影響K s 取值的因素很多。在目前的科學(xué)技術(shù)水平條件下,對(duì)極復(fù)雜的管涵土壓力分析,不可能也沒有必要運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)解析式來

7、解決。本文將運(yùn)用可靠的實(shí)測(cè)值,對(duì)有限元法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正、充實(shí),得到上埋式管涵管頂土壓力計(jì)算方法。1上埋式管涵豎向土壓力的有限元計(jì)算涵管屬于地下結(jié)構(gòu)物,與地上結(jié)構(gòu)不同,它的計(jì)算圖解必須要能反映出這種結(jié)構(gòu)物與其周圍回填土的相互作用,管的回填土不只是荷重,而且也是管在其中發(fā)生變形的一種介質(zhì)。本文將圓管及周圍的土體作為整體研究對(duì)象,采用結(jié)構(gòu)分析通用程序AN -SYS 對(duì)其進(jìn)行靜力彈性計(jì)算分析。1.1有限元模型的選擇與邊界約束的假定按國內(nèi)外管道施工技術(shù)規(guī)定1,管周回填土的夯實(shí)要求達(dá)到該回填土質(zhì)最大夯實(shí)密度的95%,而在一般填土條件下,孔周土壓力都處于非極限狀態(tài)。為此,將管周土體及地基近似理想化為直線變

8、形介質(zhì)即彈性介質(zhì)。值得注意的是:土是非線性壓縮體,其變形模量相當(dāng)強(qiáng)烈地依應(yīng)力狀態(tài)而變化,但研究表明3:當(dāng)土體處于非極限狀態(tài)時(shí),線性和非線性對(duì)土體垂直壓應(yīng)力的分析是十分接近的。因此,上埋式鋼筋混凝土圓管涵的土壓力,也可直接從線性理論中取得滿意的結(jié)果。敷設(shè)于地下的管道可看作置于彈性介質(zhì)中的一無限長(zhǎng)梁,沿管縱向垂直截取一單位長(zhǎng)度的管段作為平面應(yīng)變問題處理。考慮到邊界條件對(duì)孔周應(yīng)力狀態(tài)的擾動(dòng)影響,以及在滿足計(jì)算精度的條件下,經(jīng)試算后擬定在孔周兩側(cè)及地基下部都采用距管孔中心為4D 1的計(jì)算幅度,構(gòu)成一幅寬8D 1、高4.5D 1+h s 的計(jì)算范圍進(jìn)行計(jì)算。采用的位移邊界條件:底部鉸支固定,兩側(cè)鏈桿支承

9、,填土體的自由表面及管孔的內(nèi)周邊均屬自由邊界。1.2基本數(shù)據(jù)的采用在選取計(jì)算參數(shù)時(shí),考慮與實(shí)測(cè)資料有類比價(jià)值的條件。計(jì)算模型中采用高等級(jí)公路中常用的基礎(chǔ)型式即2=180°的混凝土剛性座墊圓管涵作為計(jì)算對(duì)象。計(jì)算模型中,為了探討在不同回填土質(zhì)條件下,管頂垂直土壓力系數(shù)的變化規(guī)律,取回填土彈性模量E 1=8.189MPa ,E 2=15.0MPa ,E 3=20.0MPa ;根據(jù)實(shí)測(cè)資料取土的泊松比=0.30,土的容重s =1.93×103kg /m 3。涵管混凝土座墊取E =2.3×104MPa ,=2.6×103kg /m 3;鋼筋混凝土涵管E =2.6

10、 ×104MPa ,=2.6×103kg /m 3。為了探討在不同填土高度h s 亦即h s /D 1條件下,管頂垂直土壓力的變化規(guī)律,再考慮與實(shí)測(cè)資料對(duì)比,分別取h s =1.0m 、1.6m 、2.32m 、2.65m 、3.0m 、3.72m 、4.19m 、4.76m 、5.27m 、6.07m 的計(jì)算工況。1.3計(jì)算結(jié)果分析整理有限元電算數(shù)據(jù),可得出管頂垂直土壓力在各種組合情況下的計(jì)算結(jié)果如表1。表1管頂垂直土壓力計(jì)算結(jié)果填土高度h s /m 管頂垂直土壓力p /kPaE 1=8.189MPaE 2=15MPa E 3=20MPa 1.0023.9624.0323

11、.881.6042.6242.2541.882.3268.4267.5967.002.6578.8677.9177.233.0089.7788.6887.913.72111.95110.60109.634.19126.17124.64123.564.76143.27141.53140.305.27158.57156.65155.296.07182.20180.00178.44管頂垂直土壓力計(jì)算的通用公式可寫為:p =K s s h s ,其中K s 為管頂垂直土壓力系數(shù)。根據(jù)垂直土壓力的計(jì)算結(jié)果可計(jì)算出各種組合的K s 值,如圖1所示。圖1不同土質(zhì)的K s -h s /D 1曲線由圖1可以得出

12、在h s /D 11.5,管頂垂直土壓力系數(shù)K s 與h s /D 1成線性關(guān)系。因此,在h s /D 11.5時(shí)K s 可采用內(nèi)插法求得;在h s D 11.5時(shí)K s -h s D 1基本成水平線。而且K s 值隨著回填土的彈性模量的減小而增大。2現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果2.1現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況為能正確確定上埋式鋼筋混凝土圓管涵周邊土41第1期譚冬蓮,等:鋼筋混凝土圓管涵豎向土壓力計(jì)算方法壓力分布情況,本文結(jié)合實(shí)際工程,在湖南省臨長(zhǎng)高速公路第7標(biāo)段K111+890處進(jìn)行了鋼筋混凝土圓管涵的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),K111+890處涵管的設(shè)計(jì)填土高度為6.67m,為了獲取足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),同時(shí)在管節(jié)的2個(gè)斷面布設(shè)了測(cè)點(diǎn),A-

13、A斷面為管節(jié)端部截面,B-B斷面為管節(jié)跨中截面。測(cè)試內(nèi)容:結(jié)構(gòu)豎向土壓力、側(cè)向土壓力、基底反力;結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力;管涵的整體位移;土的力學(xué)性質(zhì)(容重、內(nèi)摩擦角、內(nèi)粘聚力、壓縮模量。測(cè)試手段:豎向土壓力、側(cè)向土壓力以及基底反力采用GYH型鋼弦式壓力盒(作為探頭和GPC 型鋼弦式頻率測(cè)定儀(作為接收器;結(jié)構(gòu)應(yīng)變(應(yīng)力采用混凝土應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)試;結(jié)構(gòu)徑向變形采用位移傳感器測(cè)試,由應(yīng)變儀讀數(shù),由于位移傳感器需在管內(nèi)架立表架,只能測(cè)試其相對(duì)位移,在一端立支架,另一端安裝表架,支架采用角鋼粘結(jié)在管壁上;填土高度、管涵整體位移、沉陷差采用精密水準(zhǔn)儀測(cè)試;土的力學(xué)性能測(cè)試:在每種填土高度下加載前和最終卸載后取樣測(cè)

14、試,土的容重采用現(xiàn)場(chǎng)坑測(cè)法即挖除土的體積并同時(shí)稱其重量,土的體積可用灌注標(biāo)準(zhǔn)砂測(cè)得,土的抗剪強(qiáng)度(內(nèi)摩擦角、粘聚力的測(cè)試采用應(yīng)變控制式直剪儀。土壤物理特性測(cè)試結(jié)果如表2所示。表2土壤物理特性測(cè)試結(jié)果測(cè)試項(xiàng)目試樣編號(hào)123平均值含水量/%22.8019.2018.9020.30密度/g·c m-31.951. 822.02 1.93壓縮系數(shù)a0.0180.0110.0160.015孔隙比e0.7010.6010.5530.618粘聚力/kPa66.00134.00153.00118.00內(nèi)摩擦角/(°26.0020.0021.0022.00壓縮模量Es/MPa9.24614.

15、4209.41111.026彈性模量E/MPa6.86810.7126.9918.189 2.2管頂豎向土壓力試驗(yàn)結(jié)果管頂豎向土壓力測(cè)試結(jié)果如圖2所示。圖中h s=5.27m、6.07m的土壓力測(cè)值是在土層施工一個(gè)月后測(cè)得,由太沙基固結(jié)理論可知4,這時(shí)回填土已固結(jié),剛度增大,因此其測(cè)值比前面較其低的填土?xí)r的測(cè)值還要小。3有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較式(1計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖3所示。圖2管頂豎向土壓力圖3公路計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較由圖3可以看出,有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合,在填土高度為35m二者有一定的差值,這可以解釋為實(shí)測(cè)值是在施工時(shí)測(cè)得,這時(shí)土未達(dá)到固結(jié)彈性模量較小,實(shí)測(cè)曲線上的最

16、后2個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)值說明了這一點(diǎn),因?yàn)閔 s=5.27m、6.07m的土壓力測(cè)值是在土層施工一個(gè)月后測(cè)得,這時(shí)回填土的剛度增大即彈性模量增大,因此其測(cè)值比前面的測(cè)值還要小;而有限元計(jì)算值是采用同一種彈性模量即土層固結(jié)后的彈性模量計(jì)算。由前述管頂垂直土壓力計(jì)算的通用公式,本文認(rèn)為上埋式鋼筋混凝土圓管涵管頂垂直土壓力可按下式計(jì)算p=K ss h s(1其中土壓力系數(shù)K s按有限元計(jì)算結(jié)果并參照試驗(yàn)結(jié)果選取,對(duì)于工程中常用的亞粘土(E=80 kg/cm2,在h s/D11.5時(shí)K s可取1.56;在h s/D10.5時(shí)K s取1.24;h s/D1在0.51.5時(shí)采用內(nèi)插補(bǔ)值。本文將中國各行業(yè)有關(guān)規(guī)范、美

17、國公路規(guī)范以及加拿大公路規(guī)范與本文建議公式(1進(jìn)行了比較,比較結(jié)果如圖4所示。(下轉(zhuǎn)第51頁42長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2004年性鉸。但此處只比較不同支座對(duì)橋梁振動(dòng)特性產(chǎn)生的影響,故不計(jì)橋墩塑性的影響。支座1擱置在橋臺(tái)上,假定橋臺(tái)為剛性,不發(fā)生變形。因而減振系統(tǒng)的減振率應(yīng)為橋墩所受地震力的減小比例。由上圖可知,實(shí)橋安裝的鉛銷橡膠支座對(duì)自身的振動(dòng)特性有顯著影響,但未達(dá)到預(yù)期的減震效果,而經(jīng)過優(yōu)化計(jì)算鉛銷含量的支座對(duì)橋梁的減震效果比較明顯,減振率為0.67。由此可以看到,鉛銷橡膠支座對(duì)于橋梁的振動(dòng)特性影響明顯,但不經(jīng)計(jì)算地配置鉛銷則可能得不到預(yù)期的減震效果。該橋在投入使用前,進(jìn)行了實(shí)橋的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)

18、,測(cè)得其第一階縱向自振周期為0.64s ,與本程序計(jì)算結(jié)果非常吻合,證明本課題組的研究結(jié)果實(shí)用可靠。4結(jié)語(1鉛銷橡膠支座的應(yīng)用對(duì)橋梁振動(dòng)特性有明顯的改變。(2由于鉛銷屈服剛度較小和阻尼作用,安裝鉛銷含量適宜的支座的橋梁的計(jì)算地震內(nèi)力遠(yuǎn)小于安裝普通橡膠支座橋梁的計(jì)算地震內(nèi)力。(3不適宜的鉛銷橡膠支座可能使橋墩處于不利的抗震狀態(tài)。(4鉛銷橡膠支座的鉛銷含量要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,并同時(shí)控制其L 1、L 2階段的地震位移比和減震率,否則,可能使橋梁處于不利的抗震狀態(tài)。參考文獻(xiàn):1Turkin gton D H ,Carr A J ,Cooke N ,Moss P J .Des ign methodfor

19、bridges on lead -rubber bearings J .Struct .,Engi .,1989,115(12:30173030.2劉健新,胡兆同.公路橋梁減震裝置及設(shè)計(jì)方法研究(總報(bào)告R .西安:長(zhǎng)安大學(xué),2000.3張駿,閻貴平.減隔震支座對(duì)梁式橋抗震性能的影響J .中國公路學(xué)報(bào),2002,15(1:3843.4范力礎(chǔ),卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)M .北京:人民交通出版社,2001.5R W 克拉夫,J 彭津,王光遠(yuǎn).結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)M .北京:科學(xué)出版社,1981.6JTJ004-89.公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范S .1990.7范立礎(chǔ).橋梁抗震M .上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.8范力礎(chǔ),王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)M .北京:人民交通出版社,2001.責(zé)任編輯孫守增(上接第42頁 圖4式(1計(jì)算結(jié)果與各規(guī)范計(jì)算結(jié)果比