公路盖板边沟承载力分析及对策

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1、公路盖板边海承载力分析及对策赵健【摘要】在公路排水系统中，盖板边沟是过村路段的主要排水形式.在某些情况下， 盖板边沟需承受汽车荷载,而普通盖板不考虑这种情况，规范中也没有明确规定.参考 公路桥涵规范关于受弯构件承载力计算理论和砌体短柱偏心受压承载力计算方法， 分别对盖板和边沟侧墙进行强度分析，分析结构承载力的因素和变化规律，通过改变 盖板厚度、配筋和侧墙受压面积提高边沟整体强度，为满足边沟的承载功能提供对【期刊名称】国防交通工程与技术 【年(卷)，期】2015(013)004 【总页数】4页(P56-59) 【关键词】边沟;盖板;汽车荷载;承载力;改进措施 【作者】赵健【作者单位】翰得交通公路

2、勘察设计有限责任公司，河北张家口 075000【正文语种】中文 【中图分类】U417.31 排水工程是公路工程的重要组成部分，在国省干线公路的设计和修建中，经常遇到 过村路段路面、路基排水困难问题。对于尚未按市政道路进行地下排水设计的村镇， 盖板边沟是最常用的路面排水设施，但由于道路狭窄或路侧商铺影响，汽车车轮有 时会从盖板上压过，而一般的盖板设计并不考虑汽车(尤其是重载汽车)荷载，导致 盖板破坏严重，进而影响边沟排水功能，最终导致排水系统瘫痪，道路积水严重。公路排水设计规范和其他相关规范中并没有对这方面的说明。针对边沟盖板， 一些单位和个人从改善盖板材料角度进行了试验和研究1 ，取得了一定成

3、果，但没有直接解决承受汽车荷载时的强度问题。本文 以桥涵设计理念为基础，从盖板边沟的截面尺寸、钢筋配置以及边沟砌体承载力方 面进行强度分析，试图得到可以直接应用于工程的、经济可靠的边沟形式。国道110线某村路段二级公路大修，公路两侧需设置50 cmx50 cm矩形边沟加 盖板。盖板宽度99 cm，长度和厚度根据计算选取，采用C25混凝土。根据混 凝土结构设计规范，钢筋直径10 mm时选用HPB300钢筋，强度设计值为 270 MPa;钢筋直径212 mm时选用HRB400钢筋，强度设计值为360 MPa。边 沟材料选用浆砌片石，强度等级由计算决定。设计荷载等级为公路一I级。(1) 在盖板强度校

4、核中，为简化计算，按照单向板进行分析，板与板之间没有相互 作用关系。(2) 盖板简支在边沟侧墙上，支点在盖板搁置长度的二分之一处。(3) 在边沟侧墙强度校核中，取1延m长作为短柱进行偏心受压构件处理，假设浆 砌片石砌体为弹性材料。(4) 不考虑边沟因沉降等变形引起的附加应力，也不考虑温度应力对结构的影响。 常用等级公路边沟盖板其厚度一般在10 15 cm之间，在此取12 cm进行分析， 两边搁置长度为10 cm，板宽99 cm，钢筋布置为单层，钢筋直径多为12 mm , 沿板宽方向间距20 cm。参照公路桥梁关于受弯构件持久状况承载能力极限状态 计算方法2 ,对跨中正截面抗弯承载力和距支点0.

5、5h处截面抗剪承载能力进行分析校核。(1)自重：钢筋混凝土重度Yc=25 kN/m3，计算跨径l=0.5 m+0.1 m=0.6 m，截面高h=0.12 m，截面宽 b=0.99 m，单位板宽自重勺c=Ych=3 kN/m，最大弯矩M1=qcl2/8=135.0 Nm,距支点0.5h处截面最大剪力V1= qcl/2-0.5qch=720 N。(2)外荷载:只考虑汽车荷载，因盖板尺寸较小，选用车辆荷载进行计算。根据公 路桥涵设计通用规范表4.3.1-2，板顶承受后轴单轮荷载，即P=70 kN，着地尺 寸沿板宽方向为a1=0.2 m，沿板跨径方向为b1=0.6 m，考虑冲击系数=0.3)，车辆荷载

6、强度q0=(1+p)P/(a1b1)=758 333 N/m2，单位板宽车辆荷载q2 = 1xq0=758 333 N/m。最大弯矩 M2=q2l2/8=34 125 Nm,距支点0.5h处的截面剪力V2= q2l/2-qch/2 = 182 000 N。(3) 荷载组合：Md = 1.2M1+1.4M2=47 937 Nm, Vd = 1.2V1+1.4V2=255 664 N。钢筋计算直径D=12 mm，外径D=13.9 mm，截面积as=113.1 mm2，受拉钢筋根数n = 5，钢筋保护层厚度取c=30 mm，故盖板截面有效 ih0=h-c-D72=0.083 m，主筋配筋率 ps=n

7、 nD2/(4bh0)=0.69%。截面受压区高度2：fsdAs=fcdbx，有x=0.018 mEbh0=0.044 m。式中：fsd为受拉钢筋抗拉强度设计值；As为受拉钢筋总截面面积，As=nas=565.5 mm2；fcd为混凝土抗压强度设计值；Eb为相对界限受压区高度，取0.53。正截面抗弯承载力M=fcdbx(h0-x/2) = 15 087 NmMd，抗弯承载力远不能满足要求。参照文献2第 5.2.10 条，1.25x0.5x10-3a2ftdbh0=63.17 kN Md，满足要求。(2) 斜截面抗剪承载力:根据文献2第5.2.7条，斜截面内混凝土和箍筋共同抵抗剪 力作用，即：式

8、中：a1、a2、a3为相关系数，均取1;b为截面宽度，为990 mm ; h0为截面有效高度，h0= (200-30-18.4/2)mm = 160.8 mm次为受拉钢筋配筋百分率，P=100As/(bh0)=0.884 ； fcu,k为混凝土标准立方体抗压强度标准值，为25 MPa ;psv为箍筋配筋率，psv= 0.305% ; fsv为箍筋抗拉强度设计值，为360 MPa。代入各参数计算得：Vcs=266.85 kNVd=213.53 kN，满足要求。由此可见，通过增加截面厚度和受拉钢筋配筋率可满足抗弯要求，合理配置箍筋则 可满足抗剪要求。通过比较发现，影响构件抗弯承载力的因素主要有：截

9、面面积、主筋配筋率；影响 构件抗剪承载力的因素则较多，除以上因素外，还有箍筋直径、箍筋间距等。对这 些因素的影响程度，在此进行简单的定性分析，以利于优化设计。以上述可行构件结构为标准形式，分别比较板厚、受拉钢筋直径、受拉钢筋数量、 箍筋直径、箍筋间距五个参数变化时构件受力情况的变化。如表1表5所示(带“”项为标准结构形式)。由表1可见，随着板厚的逐渐降低，最大弯矩设计值略微减小，而抗弯承载力迅 速下降，当板厚在150 mm及以下时，抗弯则不满足要求；同时，最大剪力设计 值增加而抗剪承载力下降，当板厚在170 mm及以下时，抗剪则不满足要求。所 以，板厚对截面抗弯及抗剪承载力影响较大，增加板厚是

10、满足汽车荷载受力要求的 首要措施。由表2、表3可见，受拉钢筋直径的大小和钢筋数量对设计值无影响，直径越大、 数量越多，抗弯承载力越大，且提高较快，而对抗剪承载力影响较小。因此，受拉 钢筋直径和数量是影响抗弯承载力的主要因素，对边沟盖板，因板厚受结构尺寸的 限制不能选得太厚，通过增加配筋来满足抗弯要求是最有效的措施。由表4、表5可见，箍筋的设置直接影响着抗剪承载力，随着箍筋直径的增加，抗 剪承载力迅速提高，箍筋间距增大，抗剪承载力减小。从安全系数变化规律可知， 箍筋直径不能选过小，箍筋间距可根据实际情况适当增加。考虑盖板上需要打孔以 提高排水能力，箍筋间距宜取较大值。通过比较，若想降低造价，可采

11、用间距 200 mm的。12 mm钢筋，考虑一定的安全储备，则可将箍筋间距适当减小；而 。16 mm钢筋的选用则有些浪费，不推荐使用。对于盖板边沟，盖板下方的支撑结构为边沟侧墙，按照砌体受压短柱特点进行受力 分析。在不考虑侧向土压力的前提下进行简化计算，取1 m长度的边沟作为分析对象， 单侧为一受压长方体短柱，宽度b=1 m；长度即为壁厚，一般取h=0.3 m ；短柱 长度即为边沟深度，取l=0.5 m ；盖板搁置长度每侧为10 cm。截面惯性矩I=bh 3/12=2.25x10 -3 m4，回转半径i = (I/A)0.5=0.087 m，砌体材料一般为M10浆砌片石，砌块强度等级为MU30

12、 ,抗压强度fcd=0.7 MPa。(1) 荷载:自重，N1=2 079 N；汽车荷载，单板承载汽车荷载为后轴单轮，N2 = P=70 000 N ；荷载组合，N = 1.2N1+1.4N2 = 100.50 kN，单柱受压Nd=0.5N = 50.25 kN。(2) 受压承载力验算3 :板搁置长度为10 cm，故为单向偏心受压，偏心距e=(0.5x0.3-0.5x0.1)m=0.1 m , i2/y=0.05 m , ei2/y，为大偏心受压，此时受压区高度h=3x(h/2-e)=0.15 m，短柱受压 容许值为：N=0.5bhfcd = 52.5 kNNd。故边沟侧墙受压承载力满足要求，但

13、安全系数较小，为1.04。虽然传统边沟其侧墙抗压强度满足要求，但安全系数较低(为1.04)，且搁置长度较 短，容易引起局部受压破坏。选用上述改进后的盖板，对侧墙抗压能力将提出更高 要求。为此，比较计算不同侧墙厚度和盖板搁置长度情况下的侧墙受压承载力，以 期得到合理的边沟侧墙尺寸，计算结果如表6所示。由表6可见，不改变侧墙厚度和盖板搁置长度情况下，侧墙受压承载力勉强满足 要求，但若考虑侧向土压力和其他未知因素时，其安全性和可靠性则大大降低。而 单纯增加壁厚对抗压能力的提高无显著效果。同时增加侧墙厚度和盖板搁置长度， 对抗压承载能力的提高较明显。从施工角度考虑，采用较厚的边沟侧墙和较短的搁 置长度

14、是比较方便的。(1) 对于有承受汽车荷载需要的盖板边沟，通过改进边沟侧墙及盖板尺寸、优化盖 板钢筋配置的措施是可行的。(2) 盖板厚度和受拉钢筋的配置对盖板抗弯承载力影响明显。箍筋在提高盖板抗剪能力方面起主要作用，在工程中要重视箍筋的设计和验算。(4) 传统边沟虽可勉强满足汽车荷载受力要求，为提高结构安全储备，应适当增加 边沟侧墙厚度和盖板搁置长度。出于排水考虑，盖板上面需设置若干排水孔，由此带来的强度降低问题可由结 构安全系数来弥补，应力集中问题可以通过交错设置圆孔解决。1 管品武，唐国斌，孟会英.钢纤维混凝土沟盖板承载能力试验研究J.混凝土与水 泥制品,2006(5):49-512 交通运输部.JTG D622004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范S. 北京：人民交通出版社，20043 叶见曙.结构设计原理M.2版.北京：人民交通出版社，2008Key words: roadside ditch;covering slab;vehicle loads;load- bearing capacity;improving methods