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大吨位车辆对地下管线的影响
汽车荷载对管道的作用是管道受力计算的重要组成部分, 我国协会标准《给水排水工程预制混凝土圆形管管道结构设计规》程 ( CECS 143: 2002)中附录C. 0. 2 规定地面行驶的车辆荷载的载重、车轮布局、运行排列等, 应参考现行标准公路桥涵设计通用规范 ( JTJ 021- ) 采用。随着我国经济发展和现代化进程加快, 原公路桥涵设计通用规范 ( JTJ 021- ) 汽车荷载等级为汽-10 级、汽-15 级、汽-20 级、汽-超20 级被废止, 新规范《公路工程技术标准》 ( JTG B01-2003) 汽车荷载等级公路-I 级、公路-II 级执行。而我国城市道路中城市桥梁设计荷载标准 ( CJJ 77- 98) 汽车荷载等级为城-A, 城-B 级。各个规范规定的荷载参数有所不同。随着城市道路改造的进行, 其荷载升级, 原
主要荷载汽-20 级升级到城-A 级荷载。而管道系统很少随之重新设计, 许多管道面临道路荷载等级提升后结构受力安全问题, 如北京朝阳雨水方沟就在道路荷载提升过程中出现此类问题。本文比较了各规范中不同车辆组合下汽车荷载作用下汽车荷载的标准值, 提供一些参数供实际工程中参考使用。
1-各规范中汽车参数比对
1-1公路桥涵设计通用规范 ( JTJ 021- )[ 1]汽车荷载以汽车车队表示, 分为汽车-10 级、汽车-15 级、汽车-20 级和汽车-超20 级4 个等级。车辆荷载分布及其主要技术指标
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分别见图1 和表1。
1-2 公路工程技术标准 ( JTG B01- 2003) [ 2]
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汽车荷载由车道和车辆荷载组成。车道荷载由均布荷载和集中荷载组成。公路-I 级和公路-II级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值。车辆参数与汽-超20 重车相同。实际上公路
-I 级和公路-II 级汽车荷载采用原规范范《公路桥涵设计通用规范》 ( JTJ 021- ) 中汽-超20 重车荷载。车辆荷载分布见图2。
1-3《城市桥梁设计荷载标准》 ( CJJ 77- 98) [ 3]
汽车荷载等级可分为: 城-A 级和城-B 级汽车荷载2 个等级。城-A 级标准载重车采用5 轴货车加载, 总重700kN, 前后轴距为18m, 行车限高横向宽度为3m。城-B 级标准载重车采用3 轴货车加载, 总重300kN, 前后轴距为4.8m, 行车限高横向宽度为3.0m。车辆布置见表2、3 和图3、4。
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由各规范比较可以看出汽-20、汽-超20重、公路-I 级在轴重、轴距方面不同, 按理论分析, 接地面积只和轴重有关系, 但城-A、B 轻重轴接地面积分别为0.25× 0.25 和0.6 × 0.25, 汽-20、汽-超20 重、公路-I 级轻重轴接地面积分别为0.25 ×0.2 和0.6 × 0.2。汽
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-20、汽-超20 重、公路-I 级在相同轴重情况下接地面积为城-A、B 的80% 。因此在计算汽车荷载对管道的作用标准时应注意这一点。
2 轮压传递土压力计算
单个轮压传递到管顶的竖向土压力标准值
qvk为( 图5) :
式中: qvk为轮压传递到管顶处的竖向压力标准值( kN/ m2) ; Qvk为地面车辆单个轮压标准值( kN) ; ai 为单个车轮i的着地分布长度(m) ;bi 为单个车轮i 的着地分布长度(m) ; H 为自行车地面至管顶的深度(m) ; Ud为动力系数, 其值见表4。
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两个以下单排轮压综合影响传递到管顶的竖向土压力标准值qvk为( 图6) :
式中: n 为车轮的总数量; dbj为沿车轮着地分布宽度方向,相邻两车轮间的净距(m) 。
地面车辆荷载传递到管道上的侧向土压力标准值qhz , k为: qhz , k= qvz , k / 3 ( 3)
式中, qhz , k 为地面以下深度Z 处的侧压力( kN/m2) , 一般可取管中心处计算, 管侧
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压力可视为沿管侧均匀分布。
3 、 车辆组合情况下传递土压力计算
3-1 车辆组合当车辆荷载横向组合并根据规范要求进行组
合时, 最不利工况是两辆车并排。如图7、8、9
理论可以计算矩形荷载作用下地基附加应力问题。设矩形荷载的长度和宽度分别为l 和b, 解得均布矩形荷载角点下的竖向附加应力可表示为:
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要计算矩形均布荷载组作用下附加应力情况是相当烦琐的, 因为要同时考虑相邻荷载影响问题, 进行附加应力叠加和组合, 以两辆相向分布载为例, 应力分区就存在13个, 如图10 和表5。因此要完成每一分区附加应力计算相当不易。
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3-2 我国标准、规范计算方法
我国标准规范考虑到土对集中力消散作用,即为在车轮荷载作用下, 压力沿一定的角度扩散,不考虑相邻荷载引起应力的集中现象, 认为在扩散影响范围内, 土压力是均匀分布的。基本上如图11 所示在交叉影响区矩形均匀传递。交叉区以外单车轮传递。
基本土压力可由式( 2) 求出。表6 分别计算管道处于不同埋深时汽-20、汽-超20、公路-I、公路-II、城-A、城-B 荷载产生的竖向土压力。
其中汽-20、汽-超20、公路-I、公路-II、由于汽车轴距、接地面积、车辆横向组合参数相同, 所以车轮组合H 分界点为0.5m、0.86m; 而城-A、城-B车轮组合H 分界点为0.5m、0.68m、0.86m。
注: H 为管道覆土深度( m)
4 、小结
1、 汽车荷载对管道的作用标准值计算是一个比较复杂的过程, 不同组合工况下, 土压
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力随深度变化而变化。在覆土0.7m 以下土压力变化速率减缓。目前我国有关设计规程把管道覆土深度划为H< 0.7m; H= 0.7m~ 4. 5m; H> 4.5m 是综合考虑恒载和活载作用的结果, 是比较合理的。
2、 随着我国城市道路升级。许多旧管道埋深在3m 以下时, 车轮组合作用下标准值将小于地面堆积荷载qm= 10kN/ m2。道路荷载升级对其产生的荷载影响较小。
3、 埋深小于3m 管道在道路改造设计中应注意其强度能否满足新荷载工况及管道加固问题。
4、 应指出的是《给水排水工程埋地管道结构设计规程》 ( CECS 145: 2002) 附录B. 0. 5 应考虑施工车辆荷载对管道的影响。
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