公路圬工桥涵设计规范(JTG D61-2005)条 文 说 明 2
表5-2是按拱的临界平均轴向力推导出来的,其值与本规范规定的计算长度接近。
2)拱的横向计算长度
《公路设计手册:拱桥(上册)(1978)》公式(9-12),圆弧无铰拱在均布径向荷载作用下的横向稳定临界力为:
1975年《铁路工程技术规范》第二篇第2-317条,对于拱的横向(平面外)的稳定,建议近似地将拱视为长度等于拱轴长度的直杆进行计算。这个方法也曾在公路拱桥设计中使用。规范表5.1.4的计算长度l0,接近于拱轴线长度乘以两端固接系数0.5。对于双铰拱,可以近似地将拱视为长度等于拱轴长度的直杆进行计算,双铰拱为拱轴线长度乘以1.0。
4 关于变截面拱圈在拱的整体"强度一稳定"验算中的截面取值问题,可采用拱的换算等代截面惯性矩方法,推荐如下:将半个拱圈弧长取直为一简支梁,再取一跨径相同的等截面简支梁,在两者跨径中央加载一单位集中力,当该点挠度彼此相等时,后者的惯性矩即视为该拱的换算等代截面惯性矩。变截面拱圈一般取等宽变高,也可取变宽等高。由于宽度或高度必有一个在全拱为定值,另一个值不难自求得的惯性矩反求得出。
5 本条第2款第3)项,当拱圈宽度等于或大于1/20计算跨径时,可不考虑横向长细比影响或横向稳定,这是沿用原规范第4.2.2条规定。这项规定一直为公路、铁路规范所采用。目前已建拱桥中,前南斯拉夫克尔克桥宽跨比为1/30,前南斯拉夫另一座舍宾斯基1号桥为1/32.5,我国铁路丹河桥为1/26.67,所以从实践的角度来看,拱圈宽度等于或大于1/20可不考虑横向长细比影响或横向稳定。
5.1.7 本条沿用原规范第4.2.9条规定。多跨无铰拱桥当桥墩抗推刚度与主拱抗推刚度之比大于37时,可简化为单跨无铰拱计算。据《公路设计手册,拱桥(上册)》(1978年)表7-5和王国鼎《拱桥连拱计算》表5-7,连拱按单拱计算判别条件综合如表5-4所示。按本条规定,简化后精度为95%。
5.1.8 本条沿用原规范第4.2.8条规定。这项规定自1975年《公路桥涵设计规范》至' 今,一直沿用。混凝土拱桥和石拱桥的混凝土收缩和温度变化效应计算,考虑混凝土和砌体的徐变影响,上世纪的规范及著作都有不少规定和论述,简要介绍如下:
参考文献[1]建议,由于温度所引起的弯矩和轴向力,乘0.5。
参考文献[2]认为,混凝土拱在弯矩最大的拱顶和拱脚截面,在每侧长度等于拱圈截面高度的范围内,塑性变形达最大值,此时弹塑性总变形量等于弹性变形量的四倍。这样,估计对温度的抗力等于按弹性计算所得3~5倍。因此,建议混凝土的温度应力和混凝土收缩应力计算时的弹性模量采用受压弹性模量的0.625倍。
参考文献[3]认为石拱桥或混凝土拱,除非受压区超过容许值甚至达到抗压极限,否则不会开裂。因此,建议跨径小于25m的拱桥不计温度应力,并进一步建议任何跨径的石拱桥和混凝土拱桥,仅验算压应力,不计拉应力。
参考文献[4]规定,跨径等于或小于25m且矢跨比等于或大于1/6的石拱桥,温度应力可折减一半。
1 徐变作用下混凝土收缩效应折减系数
混凝土的徐变与收缩关系密切。混凝土的收缩引起了混凝土产生应力,混凝土因受力而产生塑性变形即徐变。下面讨论两者相互作用的问题。
设徐变和收缩应变在拱外缘及内缘均相等,由此徐变和收缩在弹性中心处产生水平推力。设:
参考文献[5]第117页载称"徐变系数-时间"与"收缩应变-时间"曲线甚为相似。因此在时间t时混凝土的收缩应变为:
以上两拱脚相对分开△ε为正号,反之为负号。收缩使跨径缩短,但由于两拱脚是固接端,不得缩短,相对来讲两拱脚分开了,故△ε为正号,Hn为负号,表示作用力方向与图(5-1)示方向相反。
现在来分析在同一时间内混凝土的徐变和收缩相互作用的情况。设在时间t到t+△t内,弹性中心处由于徐变和收缩相互作用所引起的水平推力H
(t)及H(t)+dH(t)(图5-1)。在微小时间d(t)内,由于收缩力的增量dH(t),在弹性中心所引起的水平位移为dH(t)·δ22。
在时间t内,由于弹性中新已产生的水平推力H(t)的作用,使拱在dt时间增量过程中产生的徐变为H(t)·δ22·dφ(t)。其中dφ(t)为时间的徐变系数。
由于在收缩和徐变过程中始终保持为一连续体,因此上述各项水平位移的代数和为零,由此得到变形方程式:
混凝土最终徐变系数,与水泥品种和标号、水灰比、水泥浆含量、截面尺寸、空气相对湿度、加载龄期等有关,本规范仍采用原规范参照《前苏联CH200-62规范》和《第六届国际预应力混凝土会议的建议》确定的φn=2.0,按公式(5-10),得η=0.45。这样,原规范规定的计算混凝土收缩效应时折减系数为0.45仍不变。这个数值适用于我国大部分年平均相对湿度55%-80%地区;对于干旱地区,则偏于安全。
2 徐变作用下温度变化效应折减系数
温度变化不像混凝土收缩那样持续进行,它是年复一年反复进行。根据老化理论,随着混凝土龄期的增长,计算温度变化时的徐变影响将削弱。计算徐变对温度影响时,参考文献[6]建议徐变系数φ1采用终极徐变系数φn的0.25倍,即φ1=0.25×2=0.5,此时按公式(5-10),η=0.787。此外,1975年《公路桥涵设计规范》编制时,兰州铁道学院熊清章教授(已故)根据参考文献[7]关于徐变对温度变化的影响的论著进行料研究和试算,建议折减系数为0.62-0.65。综合以上情况,本规范仍沿用原规范规定,徐变对温度变化效应乘以0.7折减系数。
以上为徐变对混凝土拱的混凝土收缩效应、温度变化效应的影响。至于对石砌体和混凝土预制块砌体拱桥,其灰缝的塑性变形与混凝土徐变性质类似,所以,上述折减系数也适用于石砌体和混凝土预制块砌体拱桥。
本条参考文献:
[1] 《双曲拱桥》(1971年);
[2] K.C扎夫里也夫《轻质混凝土拱桥》;
[3] r.п.别U列捷列《桥梁教程》;
[4] 德国1955年规范《DINl075》;
[5] 张树平《预应力混凝土结构》(1959年);
[6] H.E.吉卜西曼《预应力钢筋混凝土桥梁理论与计算》;
[7] H.X.阿鲁久涅扬《蠕变理论中若干问题》。
5.1.9 箱内外温差,需视当地气候条件而定,原规范第4.2.10条定为5℃,对于气候温和地区是可行的,但是对于温度变化骤冷骤热地区,其值应予增加。
5.1.10 本条沿用原规范第4.2.12条的规定。原规范仅作一般概述,现将具体理由说明如下。
据本规范第5.1.8条条文说明内参考文献[5]载述,设梁一端为固定支座,一端为铰接支座,当铰接端发生沉降时,考虑混凝土徐变与不考虑徐变的铰接端附加反力的比值为e-φ;设一双铰拱的拱脚发生水平位移,考虑混凝土徐变与不考虑徐变的附加水平推力和拱内弯矩的比值也为e-φ。e-φ见表5-5,其中φn为徐变终极系数。
e-φ如表5-5所示,从表中可以看出,考虑徐变且其终止后,因支座沉降或拱脚水平位移而产生的附加作用都很小。但是,徐变终止需几十年的时间,其中大部分在五年内完成。建筑物因地基原因而产生的支点沉降或水平位移多发生在建筑物完工以后的一个短时期内,此时应采用沉降或水平位移开始至完成一段时间的徐变系数φ1。随着时间的延长,徐变持续进行,最后到徐变终止时才可达到φn。设计采用值应为φ1,此值较φn为小。
上述两例是以一次超静定结构计算推导出来的结果。对于多次超静定结构,各赘余力考虑徐变以后的折减,可得同样的结果,所以它可以推及各种超静定结构。
如前所述,考虑徐变影响应考虑自徐变开始至沉降或水平位移完成的一段时间的徐变系数φ1。设φ1取为0.7,e-φ=e-0.7=0.5,则由相邻墩台引起的不均匀沉降或桥台水平位移引起的作用效应,可乘以折减系数0.5。
5.1.11 本条沿用原规范第4.2.13条规定。此项规定自1975年《公路桥涵设计规范》一直沿用。拱桥由于荷载引起的正负挠度的最大绝对值之和一般产生在拱跨的1/4。
5.2 拱桥构造
5.2.1 拱的矢跨比除根据地形、地基条件选择外,尚应考虑施工的难易程度。矢跨比越大则拱轴系数m值越大,拱脚段施工较困难。
矢跨比大于1/4的拱尽管水平推力相对较小,但拱轴线较长,对稳定不利。矢跨比小于1/8的拱水平推力较大,弹性压缩和收缩、温度变化效应也增加,对拱圈和墩台受力也不利。所以,矢跨比宜在1/4-1/8之间选择。从受力强度和稳定综合考虑,除小跨径桥涵外,矢跨比1/5至1/6最为合适。悬链线多用于中、大跨径的空腹拱桥,因拱上建筑日趋轻型化,拱上建筑自重接近于均布荷载,所以m值不宜过大。无支架施工时拱圈自重接近于均布荷载,拱轴系数小有利于拱圈施工受力。
5.2.2 空腹式拱桥的拱上建筑腹拱的拱铰上面的侧墙、人行道栏杆都应设置伸缩缝或变形缝。在腹拱拱脚铰上面设伸缩缝,在腹拱拱顶铰上面设变形缝。伸缩缝宽度20-30mm,缝内塞以填充物,如锯末和沥青按1:1(重量比)配制的预制板,上缘做成不透水的覆盖层。变形缝不留缝宽,设缝处可用油毛毡隔离或用低强度等级砂浆砌筑,以适应主拱圈的变形。
伸缩缝或变形缝有利于主拱圈适应温度变化、混凝土或砂浆收缩,也有利于拱上建筑适应主拱圈的弹性与非弹性变形,避免拱上建筑产生裂缝。
对于梁式或板式拱上建筑,可在主拱拱脚处设一立柱并与墩台身墙隔离。也可采用其他措施,例如取消主拱拱脚处立柱,而将梁或板直接搁于墩台身墙的顶面,此时,支座应采用活动支座,以适应主拱变形,避免因主拱变形而导致支承处墩台身墙顶面开裂。
5.2. 3 多孔拱桥连拱作用显著,一孔坍塌将导致邻孔受损,甚至全桥损毁,所以,应根据基础的安全性及施工设备情况,确定设计全拱恒载单向推力墩或施工制动墩是必要的。根据以往的经验宜每三孔至五孔应设置一个承受一孔拱桥自重的单向推力墩。
5.2. 4 在软土地基修建拱桥,一般采用无支架或早期脱架施工,使拱圈随着安装砌筑的进程逐步地适应地基变形。采用无支架或早期脱架施工,拱圈自重接近均布荷载,因此,悬链线拱拱轴系数宜小,比较接近于抛物线(m=1)。在软土地基建拱桥,由于地基变形,对拱脚较为不利。悬链线拱如拱轴线m较大,其线形在拱跨1/4处耸起,弹性中心离拱脚相对较高,使拱脚由于地基变形引起作用效应增大,所以拱轴系数宜小。软土地基拱脚附近截面宽度宜予增加,或加设-些钢筋和箍筋,可以控制上缘裂缝开展,增强下缘承压能力。
5.2.5 严寒地区的拱桥,由于温度变化剧烈,特别是降温时水平力较大,所以不宜修建矢跨比较小的拱,悬链线拱拱轴线系数相对也不宜大,其情况与软土地基建拱类似。气温下降在弹性中心发生水平拉力,增加拱顶正弯矩和拱脚负弯矩(绝对值),所以拱圈要在低温合龙,减少降温时过大作用效应。低温对拱上建筑受力不利,腹拱宜采用双铰拱或三铰拱,梁(板)式拱上建筑宜采用简支结构(可连续桥面)。对于拱脚和拱顶的加强措施同软土地基拱桥。本条第3款要求加强拱脚截面承压能力,其方法是局部加宽或加高拱脚截面,其中局部加宽可加大截面面积而不导致较大弯矩。另外适当在拱脚截面加钢筋。
5. 2. 7 已建箱形截面拱桥曾发现沿箱间的现浇接缝出现纵向开裂,其原因除拱上立柱位置不当外,箱的横向连接比较薄弱也是原因之一,故箱间的连接应予加强,包括拱上建筑采用柱式时加强垫梁强度和刚度。此外,拱上立柱应避免设在拱箱边缘,使拱箱受较大扭矩。
由于拱桥主拱圈允许部分被水淹,箱形拱挖空率较大,为减小浮力,应在设计水位以下的腹板及底版内设置进、排水孔。这样也利于通风,减小箱内外温差。
5.2.8 肋式拱桥由于荷载偏压作用比较显著,根据现有桥梁调查,横系梁间距和尺寸需加密和加强,故本条要求加强横系梁的设置,以改善拱的受力。
5.2.9 现浇混凝土拱圈或预制拱圈构件,为控制受拉区裂缝开展,参照《GB 50010-2002规范》附录A.2.1条,在受拉区设置配筋率不小于构件截面面积的0.05%的构造钢筋,如因受力需要而设置的钢筋也包括在内。
5.3 拱桥施工
5.3.1 本规范附录B为应用本条提出了一些具体的估算预拱度方法,可根据实际情况,在拟定预拱度时参考使用。现将有关问题作进一步说明。
关于满布式拱架的预拱度估算,上世纪六十年代,湖南省石拱桥总结建议为(1/250-1/800)l,l为计算跨径。因材料、施工水平均在提高,上述上、下限据反映偏高,原规范改为(1/400~1/800)l,这次修订时进一步减小幅度,改为(1/600-1/800)l。
关于预拱度设置,原规范附录三有将悬链线拱轴系数降一级放样的规定。在拱桥手册(1978年)内也有此提法。交通部公路科研学研究所1983年经研究:降低一级,在拱脚0.27l长度内,或降低半级,在拱脚0.125l长度内,非但不能预拱,反而下凹,故不再使用。
附录B. 0.2所推荐的预拱度设计方法,按抛物线设置,在1/4处为0.75δ(δ为拱顶预拱度),预拱度较大,适宜于满膛支架施工,不适于无支架施工;按推力影响线的比例设置,在l/4处为0.52δ,适用于拱架施工和无支架施工。
5.3.2 主拱圈及拱上建筑施工加载要求对称和均衡。"对称"包括纵向和横向对称,使主拱受力稳定。"均衡"要求加载重量不要过于集中,施工荷载压力线偏离拱轴线不要过多,使拱圈截面轴向力偏心距较小。对于多孔拱桥还要考虑连拱作用影响。
施工时应根据施工条件,拟定几种不同的安装砌筑程序,选择合理的施工方案,再对各控制截面进行强度和稳定验算。另一方面,在施工过程中应随时观测,控制拱圈变形和挠度,避免出现不对称变形和减少挠度的正负反复变化次数。
多孔拱桥应考虑自重单向推力的影响。
5.3.4 预制构件的吊环必须采用11235(Q235)钢筋(原Ⅰ级钢筋)。严禁使用经冷加工的钢筋,也不得使用HR335钢筋(原Ⅱ级钢筋)、HRB400钢筋(原Ⅲ级钢筋)。否则都会在吊装过程发生脆断。本条规定取自《混凝土结构设计规范》(GB 50010--2002)第10.9.8条和《水工混凝土结构设计规范》(DL/T5057-1996)第9.6.3条。
6 墩台
6.1 一般规定
6.1.1 镶面石材或混凝土预制块用于保护墩台,如墩台表面一旦受损便于更换,不致影响邻近部位。镶面石材可用块石或粗料石,其加工要求应符合《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)的规定。
累年最冷月平均温度等于或低于或等于-10℃地区圬工表面易于冻损、风化,所以对其表层材料强度等级作了下限规定。
具有强烈流水的河流的桥墩,迎水面应做破冰棱。如冰块较大,其倾斜度(竖:横)宜小,即破冰棱相对较长,有利于冰块籍自重下压破碎。
6.1.2 非岩石地基修建八字形翼墙桥台,考虑地基不均匀沉降,桥台与翼墙宜设缝分开。桥台背面易于存水潮湿,应涂以沥青防水。现浇混凝土桥台台身沿长度发生收缩裂缝,据了解东北地区较多发生,如施工时沿长度分段且相隔浇筑,则可减少裂缝。现浇混凝土桥台基础养护条件较好,且便于分段相隔浇筑,其伸缩缝间距可较台身为大。沉降缝和伸缩缝应综合安排设置。
6.1.3 原规范第5.1.3条规定相邻墩台均匀沉降差值(不包括施工中的沉降)不应大于1.0√Lcm(L为相邻墩台以米计的最大跨径长度),现参考前苏联1984年桥涵规范,以不应使桥面形成2‰纵坡为度。关于墩台顶水平位移,尽管原规范第5.1.3条规定有限值,但是该条注内对桩基墩台又可不受限制,实际上放宽甚至可不考虑。经查美国规范和前苏联1984年规范,都没有关于水平位移限值的规定(前苏联1962年规范有规定,1984年规范已删除)。墩台水平位移对于行车影响并不显著,但是对伸缩装置有一定影响,这将由伸缩装置设计中的伸缩量增大系数β=1.2-1.4(见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62--2004)来调节。根据上述理由,本条内不作墩台顶水平位移限值规定。
6.1.6 圬工基础的扩散角,可作以下说明:
1 均布荷载在圬工砌体的压力分布,近似于梯形,见图6-1。在深度h处,压应力为梯形,其长度为(α+2×1.57h)。如梯形面积以同面积的矩形代替,则其长度将为(α+2×0.79h),此时扩散角为38°。因此,就圬工本身而言,其内部压力传布的扩散角不应大于38°。
2 当圬工内压力传至地基时,地基承压应力的图式与压力大小、基底尺寸、土的压缩性、基础埋深有关,有马鞍形、抛物线形、哑铃形等。在计算地基承压力时,一般采用文克尔假定,即地基变形与地基应力成正比,也就是用弹性材料力学公式计算地基承压应力。这说明地基的计算应力与实际应力,两者应力图式并不完全一致。所以,地基应力对圬工基础的反力,及由此反力引起在圬工内的应力计算,很难做到准确。此外,基础台阶襟边部分作为短臂深梁,其应力分布图式也不同于一般浅梁。
3 根据以上所述,圬工基础的扩散角,不仅要反映圬工内部的压力分布,而且要考虑地基反力对襟边的作用。因此,为了简化计算,规范对于不同圬工,规定了扩散角的限值,在此限值以内,基础襟边受力可不作验算。本条规定的扩散角限值,仍沿用原规范的规定。其值与《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)表8.1.2比较,大致接近,个别情况略小于该规范。
6.1.7 空心墩台如不设壁孔,将使墩台壁承受静水压力,而且壁外河水通过墩壁向墩台内渗透.使混凝土受损。此外,如果基础底面以下是透水地基,河水尚对桥墩台身和基础产生浮力,不利于稳定。所以,空心墩台壁应设壁孔。对于水位以上及旱桥的空心墩台壁,也宜设壁孔,但壁孔尺寸可适当减小,用作通风。
6.2 梁、板式桥墩台
6.2.1、6.2.2 墩台帽厚度,由于按跨径长度分类的大、中、小桥指标有所增大,且加了特大跨径,故较原规范第5.3.2条有所加大。支座边缘至墩台身边缘距离,根据上述同样理由,较原规范第5.3.3条也有所加大。板式橡胶支座更换如采用扁千斤顶,梁底与墩顶之间应预留设置扁千斤顶空间,其高度需视千斤顶高度而定。
6.2.3 本条沿用原规范第5.3.4条的规定。实体桥墩的底宽,需计算确定,根据经验,其值约为墩身高度的1/5-1/6,对于石砌桥墩可取较大值,混凝土桥墩可取较小值。
6.2.4 本条沿用原规范第5.3.5条的规定。U型桥台作整体U型截面计算的条件为U型桥台两侧墙宽度之和不小于同一水平截面前墙全长的0.4倍,若达不到此要求,前墙、侧墙应分别按独立墙计算。
6.2. 5 对埋置式桥台或岸墩,其前后土压力可按《公路桥涵设计通用规范》(JIG D60-2004)(以下简称《JT GD60规范》内推荐公式计算。
6.2.6、6.2.7 轻型桥台是20世纪50年代从前苏联引进的,适用于小跨径的圬工桥台,原为单孔一字墙或八字翼墙(八字墙与台设缝分离),后发展为最多三孔但全长不大于20m。除上述外,我国还发展了采用耳墙挡土的轻型桥台。轻型桥台上部结构过长,因其与墩台均为铰接,上部结构因混凝土收缩和温度升降而产生的伸缩量将增大,这将导致桥头的路桥衔接处发生凹凸现象。
6.2. 8 加筋土桥台在我国目前已开始应用。根据调查已建成使用的有7座,其中整体式3座,组合式4座。在3座整体式桥台中,均是单孔跨6-8m的板式桥,台高一般为5-6m。
在组合式桥台中,加筋体不需承受支座传递的荷载,因而桥跨大小不影响加筋体的稳定。但整体式桥台则不同,支座传递的荷载通过垫梁,作用在加筋体上,所以桥跨度大小、桥台高度均是直接影响加筋体强度与稳定性的主要因素,目前还很缺乏设计和施工方面的经验。为此,在此次编制规范时,暂不列入整体式桥台。
对于加筋土桥台的型式,通常采用的有U形、八字形和一字形。选择时应考虑加筋土结构的构造特点和桥台与路堤的平顺衔接。如桥涵斜交角较小或与带有支档构造物的路堤衔接时,采用U形比较合适;如桥台斜交角较大或与填方路堤衔接时,则适宜选择八字或一字形桥台。
6. 2.9 组合式桥台是常规的桩柱式桥台和加筋体共同组成的一种复合式桥台。根据桩柱位置分为内置组合式和外置组合式两种,不论何种形式,上部结构均由桩柱顶部盖梁支承,加筋体不承受支座传递的荷载。因此桩柱与盖梁的设计与常规桥梁设计要求相同,应按公路桥涵有关设计规范进行。
组合式加筋土桥台在国内工程实践较少,此次调查内置式与外置式仅各有2座,因此在设计与施工方面均缺乏经验,条文中建议的一些具体尺寸,主要参考了国内已有工程和国外加筋土规范的有关规定。
6.2.10 在外置组合式桥台中,搭板是不可缺少的连接装置。在内置组合式桥台中,虽然垫梁或盖梁与其后的填土已有相互衔接,但通常为了减轻或避免在交界处产生错台而加剧车辆的冲击作用,也应考虑设置桥头搭板。这在我国公路刚性路面设计规范中给予了明确规定并提出了具体措施。法国加筋土规范对搭板(连接板)的设置作出了原则规定,但未说明具体的设计方法。
6.2.11 局部平衡法原理是根据作用在填料中最大拉应力点上的应力,计算拉筋最大拉应力Timax。
加筋土内部稳定性分析的目的是确定筋带断面与长度,局部平衡法是它的基本方法。
6.3 拱桥墩台
6.3.1 本条参照原规范第5.2.1条的规定,略作修改。有关数据根据已建拱桥尺寸拟定。
6.3.2 本条沿用原规范规定。台后的土侧压力,原规范规定一般情况下可采用主动土压力,或按填土压实情况采用静土压力或静土压力加土抗力。本条取消了采用静土压力或静土压力加土抗力的规定,因为静土压力为主动土压力的1. 3-1.6倍,只有桥台向路堤方向移动开始瞬间才出现;至于计入土抗力,其前提是桥台要有后移变形,才能产生土抗力,而桥台后移变形值难以估计准确,这将影响以后的一系列计算值,包括因桥台后移在拱圈内产生的附加内力。所以,此次修订不再考虑静土压力和土抗力。
6.3.3 组合式桥台自上世纪70年代以来已为各地所采用,实践证明效果良好,解决了某些拱桥的推力问题,为竖桩修建拱桥桥台提供了途径。采用组合式桥台的有湖南长沙湘江大桥东岸引桥、东山大桥、红山庙桥、渌江桥、涝刀河桥、青羊树桥(109国道)等。组合式桥台的计算一般采用静力平衡法,如本条所述。组合桥台另、一计算方法是变形协调法,在原规范第5.2.3条内有此规定。考虑到拱桥桥台一般不宜作水平位移,而桩基或沉井的水平位移值均涉及土的特性和土抗力,也难以计算准确,所以,本条不再将变形协调法列入本条文内。如果设计时有确切的计算参数,如侧向地基系数、竖向地基系数、地基剪切系数等,仍可采用变形协调法;计算时由于允许拱脚位移,所以也应计算因拱脚位移引起拱圈的附加内力。
组合式桥台的前台与后座之间的沉降隔离缝两侧结构物的接触面,要求先期完成的结构表面光洁细致,然后涂以隔离油脂,将先期完成的结构表面作为后期结构的模板,以保证接触面两边紧密接触又可相互自由沉降。组合式桥台的后座基底标高,应低于拱脚截面底缘标高,这是考虑水平力向后传递时将向下扩散。
组合式桥台应注意桩基周围地基沉降引起的负摩阻力。施工时应控制填土速度。
拱的推力和竖向力分项系数需视产生该推力和竖向力的永久作用和可变作用的分项系数而定。
7 涵 洞
7.0.1 涵洞的泄水能力与其工作状态有关。涵洞工作状态可分为以下三种:
1 无压力状态--涵洞水流通过涵洞全长时,水面不接触涵洞顶面,且进水口与宽顶堰的作用相同,涵洞处于无压力状态o
2 半压力状态--涵洞进水口被淹没,洞内流水不接触洞顶,出口不被淹没时,涵洞处于半压力状态。
3 压力状态--涵洞进、出口都被水淹没,涵前水深在1.2倍涵洞的净高以上,水流在压力下通过涵洞时,涵洞处于压力状态。
压力式涵洞必须保证涵身不漏水,不能让水渗入路基,影响路基强度和稳定性,同时由于流速较大,必须加深涵洞基础和加强涵底铺砌的工程,来保证进出口、基底和其附近路基、农田不致被冲毁,所以,一般在确保提高排洪能力的情况下,才可采用压力式涵洞。
半压力式涵洞因水位起落变化引起水流不稳定,因此在公路上也不常用。《JTG D60规范》规定涵洞宜采用无压力式涵洞。
洞口建筑包括进水口和出水口两部分。洞口形式与涵洞的渲泄能力和基底铺砌类型的选用有密切关系。所以,洞口型式必须满足水流顺畅,保证附近路基的稳定。洞口建筑类型有八字式、端墙式、锥坡式、直墙式、扭坡式、平头式、走廊式及流线型等,其中常用的有八字式、端墙式、锥坡式、走廊式和平头式。
本条对于涵洞内径和净高的规定,系考虑涵洞便于养护、清理。
7.0.2 涵洞设置沉降缝在于适应基底受力不均而引起的基础不均匀沉降,所以,除设置在岩石地基上的涵洞或圆管涵,可以不设沉降缝外,在土质地基上的涵洞或圆管涵,应每隔适当长度在整个涵长(包括基础)上设置沉降缝,以确保涵洞安全。一般沿涵身每隔4-6m左右设一道沉降缝。圆管涵的管节预制长度通常根据施工预制安装及沉降缝的设置而定。
涵洞地基土发生变化和基础填挖交界处,以及采用填石抬高基础处理的涵洞的地基,都应视实际情况设置沉降缝。
沉降缝缝隙间填塞浸涂沥青的木板或浸以沥青的麻絮,沉降缝周围应设置厚约200mm、顶宽约200mm的粘土保护层。
压力式涵洞和圆管涵或倒虹吸管涵洞的沉降缝,除了按上述对沉降缝的处理外,还要设置防水层。设置防水层的常用方法是用热沥青敷包两层油毡于管外壁,或沿全管外敷200mm厚的掺入麻刀的塑性粘土;还有在缝隙背面用防水水泥砂浆涂抹后,再在涵洞顶面及涵台外侧填筑约150mm厚的胶泥防水层等做法。
7.0.3 涵洞出入口附近沟床应予铺砌。对于无明显沟槽的河沟,其出口铺砌的平面形式,1964年12月铁道部铁道科学研究院曾作了模型试验,其结果是:下游最大局部冲刷深度,当采用矩形时为3.72m;水流扩散角20°的等腰三角形时为3.15m;水流扩散角30°的等腰三角形时为3.05m。从上面看当水流扩散角20°和30°时,下游局部冲刷深度无显著差别,而铺砌工程量后者增大不少,故铁路规范自1975年以来一直规定为采用扩散角为20°的等腰三角形铺砌。
7.0.4 为了保证涵洞的稳定及减小管壁受急流冲刷,本条对涵洞洞底纵坡作了规定。
当纵坡太大时,应将基础分段做成阶梯形,以保证基础的稳定。
7.0.5 涵洞顶上及两侧填土,必须分层夯实,主要考虑:
1 避免填土不均匀沉降而破坏路面。
2 《JTG D60规范》规定,涵洞竖向土压力采用土柱自重力。对于上埋式涵洞,涵顶除承受土柱重力外,还承受因涵顶填土与涵侧填土的沉降差而产生的向下的摩擦力[图7-1b))。由于涵洞仅计算土柱自重力,因此,涵洞顶部及两侧填土均应分层夯实,特别是洞身两侧填土的夯实尤为重要。如洞身两侧填土沉降大于洞顶填土的沉降,势必增加对洞顶的附加压力。
有一种看法认为:涵洞顶上填土竖向压力,可按填土内形成的自然拱(卸载拱)来确定[图7-1a)]。竖向压力随着填土高度的增加而增加,并最后达到一个定值(自然拱起作用),其值不超过涵顶土柱重力。土中自然拱,仅在路基完成若干年以后和填土密实的情况下才能形成,在已建路基内用顶管法或坑道法施工即是一例。这项有利因素不能考虑。
7.0.6 涵洞的承载力计算,可参照本规范第5.1.4条关于拱桥计算的规定,由于涵洞系实腹拱、跨径小、长度大,可仅作拱的截面强度验算,而不作拱的整体"强度一稳定"验算。
拱涵一般采用陡拱(矢跨比≥1/4)为宜,因为拱涵顶填土较拱桥为厚,采用平拱会因推力相对较大,而使地基承压力加大和涵台圬工数量增加。另外,涵洞拱圈跨径小(<5m)时,厚度相对较大,如用平拱,其弹性压缩、混凝土收缩和温度变化影响力均较大,易引起拱圈开裂。就涵洞的构造而言,一般拱顶距路基边缘标高尚有相当的空间,采用陡拱也是合理的。
原规范第6.0.6条第三款规定计算拱涵内力时可不考虑曲率、剪切变形、弹性压缩对内力影响,也不计混凝土收缩和温度变化效应。弹性压缩对跨径小但厚度又较大的拱涵而言,影响较大,不能忽略,而现在的圆弧拱计算表,已计入弹性压缩引起的效应;至于混凝土收缩和温度变化,原规范第6.0.6条第三款规定可不考虑,本规范仍予沿用。但在第7.0.5条内对现浇混凝土的浇筑提出减少成拱后的混凝土收缩的要求。
涵台压力在基础内的分布及地基的承压力图式,可参阅本规范第6.1.6条说明。涵洞的跨径较小(<5m),基础高度相对较大,加之涵洞以均匀对称的恒载为主,因此,可以认为整体式涵洞基础是刚性的整体,地基沉降比较均匀,地基承压力近似平均分布。
附录A
石材强度等级系数参照《砌体结构设计规范》(CB 50003-2001)制定,石材砌体分类沿用原规范制定。
附录B
拱桥的预拱度的计算与设置,参照原规范、《公路设计手册一拱桥》(1978)和1983年8月《少箱薄壁多段施工的大跨径钢筋混凝土拱桥设计中的几个问题》(交通部公路科学研究所)制定。