浅析钢筋混凝土排水拱涵的结构计算

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【摘要】：涵洞作为选矿厂尾矿库或公路工程的重要组成部分，钢筋混凝土排水拱涵作为涵洞的一种重要形式，对其进行研究具有非常重要的意义，本文以下内容将对钢筋混凝土排水拱涵的结构计算进行简要的分析，仅供参考。

【关键词】：钢筋混凝土；排水拱涵；结构计算

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1、前言

涵洞作为道路桥梁或选矿厂尾矿库的重要组成部分，其有盖板涵、圆管涵、箱涵和拱涵等不同结构形式，其都有各自适用的范围。攀西地区选矿厂繁多，有选矿厂就有尾矿库的情况，尾矿库大多选在“V”型山谷里，这样就破坏了原有的河流或原排水沟等排水设施，若处理不好，很容易产生地质灾害，一种处理方法就是在库内或尾矿坝下设排水设施，由于尾矿堆积较高，涵洞埋得较深，一般是埋深20-100m，一般采用排水拱涵的设计方案；而对于山区道路桥梁建设来说，由于其填土较厚，也一般采用钢筋混凝土拱涵，钢筋混凝土拱涵将上部填土荷载及活荷载转化成为拱的轴向力，极大的发挥了材料的力学性能，是一种受力合理、经济效益高的结构形式。由以上分析，可知对拱涵的结构计算进行探讨具有非常重要的意义。本文以下内容将对钢筋混凝土排水拱涵的结构计算进行简要的分析，仅供参考。

2、钢筋混凝土排水拱涵的荷载分析

根据作者多年的实践经验，认为钢筋混凝土排水拱涵的荷载主要包含如下几个方面：第一，车辆荷载及其它活荷载。车辆荷载及其它活荷载在向下传递的过程中会根据土质的类别有一个扩散角，也就是这些荷载是随着拱涵的深度增加而不断减少。在一定的深度范围内，其荷载是可以忽略不计的，所以在进行荷载分析的过程中，要对拱涵的埋置深度综合考虑。另外，还应注意对拱涵顶部产生最不利荷载压力的车型，这些选择好后，可以查结构计算手册，查出在拱涵顶深度范围内，车辆荷载的大小。第二，垂直土压力。首先要明确回填的土质，最好经过试验确定土自重。知道了土重就可以根据规范给出的计算公式：σ=γH，进行垂直土压力计算，这个公式直观，但不能反应涵洞真实承受的土压力，这是因为规范规定垂直土压力按涵洞顶面内土柱重量计算，而没有考虑涵洞两侧土体与涵洞顶部土体间的不均匀沉降产生的附加应力，不均匀沉降产生的附加应力对土压力的影响很大，为了消除这一因素的影响，可以参考铁路规范采用土应力集中系数kz来修正规范公式，也就是利用σ=kzγH来进行土压力的计算，土应力集中系数一般为1.00~1.45，具体取值方法可参考铁路桥涵设计基本规范，采用修正后的计算公式所得结果经过验证可以完全满足工程需要。第三，涵洞侧面的土压力。由于钢筋混凝土排水拱涵还有两个竖壁，这两个竖壁除了要受到上部拱传下来的荷载外，还要受到周边土的侧压力，在进行土侧压力计算的过程中，除了要根据实际情况选择主动土压力、被动土压力、静止土压力，一般情况下，应按照被动土压力进行计算。选择好了计算公式，还需要注意的是这里需要按照竖壁顶部埋土深度和竖壁底部埋土深度计算两次被动土压力，其被动土压力呈梯形分布，上小下大。土的含水量和粘度系数对土的侧压力影响比较大，在计算的时候要认真的分析地勘报告，确认最不利的地下水位。第四，涵洞底板的受力。如果拱涵上部土比较厚，其竖向土压力比较大，在这种情况下，底板就需要悬臂出来，以提高受力面积，降低压力强度，满足地基受力要求。底板的受力是地基的反力，其可以按照每米长的钢筋混凝土排架进行模型简化，两个竖壁作为两个柱子，底板作为每米宽的两端悬挑的梁，在进行实际的计算中，这种做法可以作为计算的一种校核。第五，地基荷载。地基荷载主要是钢筋混凝土排水拱涵传下来的恒荷载及活荷载，按照地基基础规范进行设计，但是由于拱涵一般适用于高填土的工程条件，这样的话对地基的要求更加严格，在进行设计的时候要采取结构措施也就是增大钢筋混凝土拱涵底板的面积和进行地基处理综合考虑，采取经济合理的方式进行。

3、计算手段的选择

随着科技的不断发展，现在供选择的计算手段越来越多，若选用传统的手算，也就是采用规范或手册的计算方法，将钢筋混凝土排水拱涵按照弹性地基上的闭合框架来分析，把结构物分厂上部拱圈、中部直墙和下部底板三个部分，用位移法求得结构内力，然后再计算所用的混凝土强度及钢筋的型号，这种计算方法不能真实的反映出钢筋混凝土拱涵的工作状态，只是一种近似的工程计算方法，且工作效率低下、劳动强度高，精确度受到人为的影响大，在计算软件如此普遍的情况下，显然这种计算方法已经不能跟上社会发展的脚部。但是并不是这种计算方法就应该摈弃，有这种思想是错误的，手算的计算方法是一个人设计能力的一个集中体现，也是入门设计所应掌握的最基本的技能，必须引起足够的重视。为了降低劳动强度、提高计算效率，可以采用excel表格的方法，经过总结归纳，将各种计算条件反映在计算表格中，在计算的时候仅仅输入一定的数据或者参数就可以了，其可以作为利用计算软件计算出的结果的一个校核手段，确保计算的精确度。

在工程领域，计算钢筋混凝土排水拱涵的方法一般是利用有限元软件，此种方法计算精确，劳动强度低、效率高，且能直接模拟钢筋混凝土排水拱涵与土体的共同作用，真实的反映出排水拱涵的实际工作状态。

4、利用有限元软件进行钢筋混凝土排水拱涵的结构计算

通过选取构筑物及其一定范围内的土体，可以用有限元方法来模拟真实的物体，且大量的工程证明，用有限元方法计算得出的结构，可以作为工程设计的可靠依据。以钢筋混凝土排水拱涵及其附近一定范围内的土体为计算模型，该模型根据结构的材料和受力特性可以分为拱涵结构体、拱涵和土体的借出去、图提取三个区域，在建立模型的过程中，分别选用弹性单元、接触单元和弹塑性非线性材料单位结构实体，其中线性单元模拟拱涵结构，非线性单元模拟土体，接触面单元模拟土与拱涵的相互作用。而对于土体，在计算分析的时候也常用受压弹簧来模拟其工程特性，但在应用中，受压弹簧要用到的基床系数的确定比较困难，可以采用Drucker-Prager弹塑性土体的本构关系模型。

模型建立好后就可以直接进行模型的分析和计算，这些均是由计算机来完成，从技术上来讲，有限元分析方法能十分便利地处理结构的截面变化和复杂的荷载，能模拟反映结构物土体等多种材料的共同作用情况，是常规方法无法完成的。但是这里需要进一步说明的是，不能仅仅依靠软件，在利用软件进行计算的前提下，要根据自身工程经历及总结的经验，用近似模拟的方式建立模型，利用手算的方式对软件计算出来的结果进行校核，确保设计的准确。另外，也可以同时采用两种不同的计算软件的方法来对设计结果进行校核，但是这种方法和利用有限元软件进行计算都是在软件的基础上，对于自身设计素质的提高没有真正意义上的促进。

4、结尾

以上内容分别首先对钢筋混凝土排水拱涵的荷载进行了分析，随后对结构计算的手段进行了选择，最后探讨了利用有限元分析软件进行结构计算，表达了自己的观点，提出了自己的见解。但是作者深知，作为一名设计人员，应该在实践中不断学习，并注重借鉴国内外先进的经验，不断提高自身的专业素养和综合素质，才能不断提高钢筋混凝土排水拱涵的结构设计水平。

【参考文献】

[1] 《土工计算机分析》龚晓南等，中国建筑工业出版社

[2] 《涵洞》熊启钓等，水利水电出版社

[3] 《有限元分析基础》武建华等，重庆大学出版社