不同铰缝连接的高速公路装配式盖板涵结构力学性能分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言在高速公路装配式盖板涵的建设施工中，由于其结构形式和埋设方式可以分为多种类型，施工主要采取预制和现浇两种方法。通常情况下，铰缝连接式的盖板涵结构主要分为圆形、棱形以及漏斗形三种，采用不同铰缝连接方式的高速公路装配式盖板涵结构也存在一定差异，综合工程施工要求及标准对装配式盖板涵的结构力学性能进行研究分析，可以为后续的具体施工提供参考。1 装配式盖板涵结构设计1.1 构件设计装配式盖板涵侧墙倒T形构件应设计成 2 m宽一节，高度设计上要求能够保证所有施工中应用的结构物都能顺利通过，且不超过5 m。侧墙宽度应尽量薄一些，厚度在0.250.3 m之间。在其底座的尺寸设计中，应将其厚度设置在0.25 m，宽度在0.7 m，且其中需要设置多层钢筋网。盖板的尺寸设计中，要求其长度、宽度、厚度分别设置为跨径+0.6 m、l m、0.4 m。同时，牛腿尺寸也需要结合配筋、刚度等进行合理设置，主要考虑两方面内容：一是为平面布置，可以分为涵洞正交及斜交两种情况，尤其要注重沉降缝的设置，要求其贯穿整个结构横断面，从而避免出现因沉降不均匀而造成的裂缝问题。二是为纵向坡度设置，在i5%时，说明纵坡相对较小，可以直接将基础顶面设置成符合预制构件布置要求的平面。1.2 涵洞基础设计涵洞基础设计根据地基土承载力的不同，可以分为不同的形式。第一种形式为整体式刚性基础，此方式适合地基土质及承载力都相对较差、涵洞填土较高的情况，经处理后片石混凝土上会形成一层刚性底板，从而构成刚性整体式基础。第二种为整体式柔性基础，该方式同样适用于地基承载力相对较差、涵洞填土较高的情况。由于涵洞结构会对地基产生较大应力，只有应用整体式柔性基础才能够降低其承载力。第三种为分离式刚性基础，其适用范围恰好与整体式刚性基础相反，主要用于地基承载力较高、涵洞填土较浅的情况。这种情况下，其侧墙底部应力往往较小，不高于承载力。第四种为分离式柔性基础，主要适用于地基承载力及土质一般、涵洞填土较高的情况，通过底板面积增加并设置更多钢筋，从而保证其符合承载力要求。2 实验准备2.1 材料准备为确保实验的真实性与完整性，选定A、B、D三条高速公路的装配式盖板涵作为测定对象。首先需要进行基础性测试材料的准备，测试所需的胶凝材料为水泥，要求其型号为P.O 325 和P.O 425的普通硅酸盐水泥，设定水和泥的混合比例值为26，然后分析其相关指标，结果如表1所示。表1 水泥应用指标设定表水泥型号P.O 325P.O 425烧失量2.63.1凝结时间/min2836抗压强度/MPa45.1149.26细度（%）2.062.33根据表1的水泥指标设定数值，完成对测试所用水泥指标的设定。在此基础上准备适量的盖板、底板、HRB400热轧带肋钢筋以及一定数量的高强螺栓。其中，盖板包括未加固的盖板涵简支板、采用波纹钢加固的盖板涵，HRB400热轧带肋钢筋则包括纵筋、面筋和箍筋。收稿日期：2022-11-20作者简介：方树君（1982），男，浙江兰溪人，高级工程师，研究方向为公路工程。不同铰缝连接的高速公路装配式盖板涵结构力学性能分析方树君，陈阳（浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江 杭州 310024）摘要：为准确把握不同铰缝连接的盖板涵结构受力性能变化情况，研究利用基础数值测算盖板涵的抗压强度平均值，通过设定受力抗压基准值，在不同角度对其内置结构加载处理以获取不同承压环境下的弹性模量，测定装配式盖板涵在圆形、棱形以及漏斗形状态下的附加拉应力以及泊松比，最终实现对盖板涵结构力学性能数值分析。关键词：装配式盖板；构件设计；性能分析中图分类号：U445文献标识码：A145总654期2023年第24期（8月 下）纵筋为20 mm的钢筋，数量为10根；面筋为14 mm的钢筋，数量为 4 根；箍筋为6 mm 的钢筋，数量为 3根2。为提高盖板涵的承压强度，需要扩大其实际的承压面积，再设定对应数量的底部固定支座以营造整体的浇筑空间。至此，完成对基础测试材料的准备，接下来根据实际的测试要求和标准开展实验布置。2.2 实验布置根据上述的测试准备，综合A、B、D三条高速公路装配式盖板涵结构力学性能得出具体的需求量及标准范围，再进行相应的基础实验布置。首先，在A、B、D三条高速公路中的某一路段上设定加固辅助架，在两侧边墙与道路底部均采用浇筑方式进行基础性加固处理3。将准备的底板竖立于高速公路两侧，测定此时混凝土的强度等级为C404，再标记好装配式盖板涵的位置。为设定装配式盖板涵的承压面积参数，需要先测算出盖板涵的抗压强度平均值，具体如公式（1）所示：D=(0.2n-h)2m+nhd+md2（1）式（1）中：D为盖板涵的抗压强度平均值；n为预设抗压强度；h为定向承载力；d为盖板涵宽度；m为定向荷载偏差。综合上述测定，完成对盖板涵的抗压强度平均值的测算，以得出的数值为依据，推算出盖板涵的实际宽度及面积5。在高速公路底部的辅助架上安装HRB400热轧带肋钢筋，纵筋为3根。为提升整体的承压能力还需要在侧方向沿宽度设置2列加固钢筋，要求钢筋的间距设定为10.55 cm6。再采用C30素混凝土对底部的加固架进行预埋填充以完成基础性测试的实验布置。最后，在不同铰缝连接下对A高速公路装配式盖板涵结构力学性能进行验证分析。3 实验方法与过程经过上述测试环境的搭建，通过不同铰缝连接方式对A高速公路装配式盖板涵结构力学性能进行分析7。首先，需要进行初始弹性模量的测算，如公式（2）所示：W=e=10.3e+tet+t2（2）式（2）中：W为初始弹性模量；e为定向承压标定值；为承压面积；t为承压单向距离；为重合范围。综合上述测定，根据盖板涵的实际面积调整高速公路下方的承压模块，使其在一定程度上增加弹性模量值，要求控制在22.530.8 GPa之间。然后根据弹性模量的变化情况，在高速公路底部承压框架内部植入安装波纹状的钢板，弧度方向要求设定为12.25、27.5 和41.5，确保高速公路盖板涵结构的承压加载状况，如图1所示。综合图1可知，完成对高速公路盖板涵承压加载结构的设定，还需要在底部辅助架两个侧面安装2 mm型号为BE120-3AA-P300的钢应变片，确保高速公路底部的稳定性，再设定圆形、棱形以及漏斗形三种形式进行实验对比，具体如图2所示。图2 不同铰缝连接形式对比图根据图2完成对不同铰缝连接方式的研究与设定。根据A高速公路实际的受力情况及承压能力，分别进行力学性能研究。为确保测试结果的真实可靠，在进行力学分析之前要确保盖板涵钢筋布置情况始终保持一致，使装配式盖板涵的整体结构处于平衡稳定状态，再根据以上设定数值对A路段盖板涵在不同铰缝连接状态下的承载力进行估算，如公式3所示：G=(c-x)2t=10.5c+zt（3）式（3）中：G为不同铰缝连接状态下的承载力；c为铰缝面积；x为重叠面积；z为单侧承压距离；t为区域内铰缝数量。综合上述测定，完成对在不同铰缝连接状态下盖板涵结构的整体承载力的估算，并将其作为承载的初始标准。利用千斤顶进行盖板涵受力情况的整体分析验证，使用吊机将千斤顶移动至A、B、D三条高速公路不同路段上，分别针对圆形、棱形以及漏斗形三种铰缝连接状态下的盖板涵内置结构的张拉应力进行测算，如公式（4）所示：U=2+(0.3-B)V（4）式（4）中：U为张拉应力；为移位摩擦力；为定向承压强度；B为水平荷载；V为承压偏差。根据上述测试，可以获取三种铰缝连接方式下高速公路盖板涵结构的张拉应力，然后进行对比，以此判断不同铰缝连接状态下张拉图1 高速公路盖板涵承压加载结构设定146交通世界TRANSPOWORLD应力的变动情况和实际受力情况。随着上方千斤顶重量的不断提升，盖板涵下方承受的荷载力也在不断增加。此时，盖板涵内置结构在超出自身承受力极限标准下极容易发生断裂，进而引发涵洞的坍塌。此时，测出盖板涵的抗拉强度以及受压矢量的数值，如表2所示。表2 盖板涵承压情况比照分析表承压指标抗拉强度/MPa承压矢量偏差切向拉应力最大值/MPa竖向变位距离/m初始标准1281.3516.0810.25边界范围标准1101951.161.8412.3323.571016.35根据表2完成对盖板涵承压情况的分析和研究。此次测定的承压指标均控制在合理范围之内，说明此时的盖板涵结构处于平衡稳定状态。接下来在不同铰缝连接状态下测算出此时内置结构的附加拉应力，如公式（5）所示：Y=0.2g+r=1r-2-gr（5）式（5）中：Y为附加拉应力；g为预设总荷载值；为承压转换偏差；r为两侧单向承压面积；为非沉降侧距离。综合上述测算，分析此时圆形、棱形以及漏斗形的铰缝连接状态下对盖板承压的实时影响，利用以上测得数值和工程实际，在不同的铰缝连接状态下计算出最终的受力泊松比，如公式6所示：J=S=1NS-(S+1)0.2K-N2N（6）式（6）中：J为承压泊松比；N为单向受力面积；S为受力次数；K为张拉预应力；为荷载值。综合上述测定，完成对不同铰缝连接状态下的A、B、D高速公路的装配式盖板涵结构受力结果的分析，最后对得出的测定结果依次进行比照验证。4 实验结果根据上述实验完成对测试结果的分析，还需要分析获取的测试结果相关指标数值，如表3所示。表3 不同铰缝连接力学性能指标分析表力学性能指标抗拉强度/MPa单向荷载值/（kN/m2）上缘应力/MPa测试承压弯矩次数/次最大切向拉应力/MPa圆形铰缝12710.545.2412102棱形铰缝13011.3148.1510113漏斗形铰缝13511.3850.228127由表3可知，在圆形、棱形以及漏斗形的铰缝连接状态下，如果铰缝连接的深度越大，表明与高速公路之间的盖板涵结构的接触面积越大，其自身的承压受力能力也就越强，而且表3中的漏斗形的铰缝连接方式受力情况相对更好。针对测试得出的受力泊松比进行后续的分析验证，如图3所示。图3 测试结果对比分析柱状图结合图3，根据初始承压泊松比和实测承压泊松比相比较，测定出泊松比均值分别为1.22、1.35和1.67，表明在不同的铰缝连接状态下，圆形铰缝和棱形铰缝分别与盖板涵的受力基础面积较小，搭接受力承压能力也就相对较弱；而漏斗形的铰缝连接状态与盖板涵结构搭接之后，盖板涵自身的受力承压能力显示更高。5 结束语本文主要结合高速公路涵洞建设施工的实际需求，通过在圆形、棱形以及漏斗形铰缝连接的三种状态下，对A、B、D三条高速公路盖板涵结构的受力情况进行实验分析。此外，根据工程建设标准的变化，测定对应环境下装配式盖板涵的受力情况，同时测算出空隙率、表观密度、抗压强度和抗折强度等指标数值，提取了高速公路盖板涵的力学特征并展开比照分析。通过测试表明：圆形铰缝连接与盖板涵结构的接触面积虽然较大，但是一旦外部承压超过极限标准，其自身的泊松比值就会增加，盖板涵结构横向的变形也就越大，表明其受力能力较弱；棱形铰缝连接与盖板涵结构的接触面积相对均衡，泊松比值也比较平均，发生横向变形的概率自然也较为均衡，表明其受力能力一般；而漏斗形铰缝连接与盖板涵结构的接触面积越大，外部承压超过极限标准时，其自身的泊松比值就变小，盖板涵结构横向的变形概率降低，表明其受力能力越强。参考文献：1 李国维，米帅奇，仇红超，等.深埋盖板涵路基填土应力场分布特征试验研究J.岩石力学与工程学报，2022，41（11）：2311-2319.2 樊日辉.公路工程盖板涵设计要点探析J.内蒙古科技与经济，2022（10）：125-126.3 米帅奇，陈伟，苏彤，等.涵周土性状对高填方盖板（下转第153页）147交通世界TRANSPOWORLD2132 kW的轴流式通风机最大风量为3 000 m3/min，可以满足3 452 m的风机最小供风量2 816.4 m3/min，但根据型号及参数表，2132 kW的轴流式通风机可提供的最大风压为6 500 Pa，无法满足3 452 m的分压要求，且高效风量为2 691 m3/min。经风压计算考虑动压+静压+局部阻力，2132 kW的轴流式通风机最大风压为6 500Pa，只能最大满足2 900 m的风机最小总风压要求。经过计算，2132 kW的轴流式通风机考虑风机无法一直保持最大功率，且考虑风机折旧就老化问题，项目计划至2 500 m增加风机形成串联通风系统。经计算满足剩余1 000 m的通风需求，275 kW轴流式通风机最大风量为2 281 m3/min，且高效风量为1 863 m3/min，掌子面所需风量为1 840.8 m3/min，可以满足剩余1 000 m的风机最小供风量要求，且最经济可行。该风机风压最大为 4 628 Pa，也可以满足剩余 1 000 m 的风压要求。为最优方案。当隧道掘进较深时，为更好地提高隧道通风效率，提高施工进度，由于项目部为国道项目合同内包括机电施工，项目可以采用永临结合设置射流风机，射流风机的型号采用隧道运营通风的射流风机型号，其安装按照运营通风风机布置进行。采用永临结合减少了项目的设备投入。项目可以根据施工的实际情况进行射流风机的使用，可以更加高效的通风。小燕隧道选用功率为 2132 kW 的轴流式通风机（风量达30001300m3/min，通风阻力达12006500Pa），经计算可以满足第一阶段2 500 m内的通风要求。如采用2185 kW的轴流式通风机，则功率上增加106 kW。按照平均每天通风时间，由于小燕隧道级围岩占比70%，级围岩占比29%，按照每天1.5个循环（出渣21.5=3 h，支护喷浆41.5=6 h，其余通风时间1 h，每天通风时间约10 h），按照每循环平均施工进尺为3 m，则每天平均进尺为4.5 m，1 500 m需施工333 d。如采用2185 kW的轴流式通风机，小燕隧道总用电量需多消耗106103332=705960 kW，按照项目每度电费为1.2元，考虑前期通风无须满功率按照折合系数0.6，则可以节约7059601.20.6=508291元。6 结束语通过优化特长隧道通风施工技术，提高了特长隧道通风施工的效果和经济性。同时，该施工技术增加了顺坡独头掘进3 500 m的通风施工经验，为满足现场施工通风规范化、标准化起到重要作用，可为今后的公路特长隧道通风施工提供参考。参考文献：1 连佳盛，代家壮.浅谈特长隧道施工技术难点及解决措施J.建筑与预算，2021（10）：65-67.2 黄志伟，彭晓春.高速公路隧道通风设计的分析研究J.西部交通科技，2020（6）：105-107.3 凌虎.安全运营条件下公路隧道照明通风系统节能优化设计J.中小企业管理与科技（中旬刊），2019（7）：156-157.4 万建国，彭劲松.公路隧道营运通风节能优化设计探讨J.现代隧道技术，2019，56（S2）：471-477.5 王知君.中天山隧道施工通风数值模拟J.技术与市场，2010，17（10）：1-2，4.6 刘生，周飞，李鹏举.特长公路隧道独头掘进施工通风设计与数值模拟分析J.探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（3）：74-77.7 杨超，王志伟.公路隧道通风技术现状及发展趋势J.地下空间与工程学报，2011，7（4）：819-824.图2 不小于1500 m隧道通风设计示意图涵涵顶应力影响分析J.粉煤灰综合利用，2021，35（6）：34-40.4 荀绚，刘颖波.深厚软基条件下PHC管桩在盖板涵中的应用及受力特性分析J.福建交通科技，2021（8）：60-63，89.5 陶庆东，何兆益，贾颖.高填方土石混合体填料盖板涵垂直土压力计算新方法J.科学技术与工程，2020，20（25）：10388-10398.6 宋明，曾琛超，舒恒，等.钻爆法公路隧道装配式衬砌力学性能研究J.低温建筑技术，2020，42（5）：83-86，95.7 兰涛，李然，阎田，等.翼缘盖板内置型可恢复功能装配式开洞槽钢梁柱节点力学性能及受力机理研究J.工业建筑，2020，50（3）：36-42.（上接第147页）153