天津市市政工程设计研究院 中国天津 300392
摘要：两箱地道封闭段主要受裂缝宽度验算控制。本文就两箱地道封闭段裂缝宽度验算的思考做了总结。新的公路桥涵混凝土规范对最大裂缝宽度进行了调整，公式中体现了混凝土保护层厚度对裂缝宽度的影响。对于两箱地道封闭段这样的框架结构，最大裂缝宽度出现在顶板中部中腹板位置，侧向土压力对抗裂有利，在考虑侧向土压力时，不应盲目将其放大考虑。
关键词：城市地道封闭段；裂缝计算分析；桥梁博士V4.0计算
0引言
城市道路交汇时，由于场地等因素限制，有时不能修筑桥梁，此时，可以考虑修筑地道。两箱地道在城市中有着广泛应用，其结构形式合理，断面总长度可做到30m左右，能够满足双向四车道的要求。经过大量计算，对于两箱地道封闭段结构，由于其框架结构，其承载能力验算容易通过，而裂缝验算不容易通过，因此对其裂缝计算，有必要进行专门研究。
新版JTG 3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[1]（以下简称《18版公路混规》）已实施近一年半，相比老版JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[2]（以下简称《04版公路混规》），《18版公路混规》在裂缝计算方法上做出了调整。经过计算，按照《18版公路混规》验算的两箱地道封闭段结构更不容易满足裂缝要求。因此有必要研究如何合理优化结构，使其裂缝验算通过。
1两箱地道封闭段混凝土开裂影响因素分析
1.1受拉侧配筋率
受拉侧配筋越多，受拉钢筋应力越小，对抵抗混凝土开裂越有利。在《04版公路混规》和《18版公路混规》的裂缝宽度计算公式中都有体现。然而，增加钢筋数量，钢筋应力减小的同时，钢筋等效直径也会增加。不改变最外排钢筋保护层厚度的情况下，钢筋形心距混凝土边缘距离增大，裂缝宽度增大。
1.2最外排受拉钢筋混凝土保护层厚度
最外排受拉钢筋保护层厚度越大，对钢筋保护越好。但同时，随着保护层厚度增大，混凝土开裂后裂缝宽度也会加大。《04版公路混规》的裂缝宽度计算公式没有体现混凝土保护层厚度的影响，默认保护层厚度按30mm计算。《18版公路混规》对此进行了改进，使用实际的混凝土保护层厚度代入裂缝宽度公式计算。根据JTG/T 3310-2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》[3]，对于处于除冰盐等氯化物环境下的地道结构，要求地道迎土面混凝土保护层最小厚度达到40mm到50mm。
1.3地道结构壁厚
壁厚越大，截面有效高度越大，开裂截面纵向受拉钢筋应力越小，裂缝宽度越小；同时，增大壁厚使结构自重增大，开裂弯矩增大，开裂截面纵向受拉钢筋应力减小，裂缝宽度增大。
1.4引起地道结构开裂的荷载
两箱地道封闭段结构形式为框架结构，不同方向荷载对其不同截面上产生的效应较为复杂。应根据裂缝宽度最大的控制截面，区分对抗裂有利荷载和不利荷载，分别讨论。
2计算地道简介
本文以某两箱地道封闭段为基础，研究侧向荷载、壁厚及新老规范裂缝计算方法对地道混凝土裂缝宽度的影响。地道封闭如图1所示，地道截面长32m，高8.2m，顶板高1.2m，底板高1.3m；边腹板宽1m，中腹板宽0.8m。地道顶面覆土高度按3m考虑，侧土压力按库伦主动土压力计算，计算高度10m。地道顶面采用城-A级车辆荷载加载。
混凝土采用C40混凝土，迎土面混凝土保护层厚度采用50mm，背土面混凝土保护层厚度采用40mm。钢筋采用HRB400钢筋。顶板在中腹板位置处，截面上缘配置3排直径32mm钢筋；在距边腹板和中腹板1/2位置处，截面下缘配置2排直径32mm钢筋。底板在中腹板位置处，截面上缘配置2排直径32mm钢筋；在距边腹板和中腹板1/2位置处，截面下缘配置3排直径32mm钢筋。边腹板迎土侧配置1排直径32mm钢筋，背土侧配置2排直径32mm钢筋。中腹板两侧配1排直径28mm钢筋。
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图1 两箱地道封闭段断面布置图
使用桥梁博士V4.0，纵向按1m考虑建模，如图2所示。顶板、底板、腹板采用空间梁单元模拟，采用刚臂连接。地道底面约束采用弹性支座模拟，竖向弹性刚度50000kN/m。上部车辆活载考虑扩散角后加载在地道顶板。
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图2 桥梁博士V4.0结构建模
3地道验算结果及影响因素研究
按照《18版公路混规》进行计算，频遇组合下裂缝宽度验算结果如图3所示。
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图3 《18版公路混规》频遇组合裂缝宽度验算
3.1 侧向土压力计算方法
对于两箱地道封闭段结构，抗裂最不利位置位于顶板上缘中腹板处。仅对框架左右腹板迎土面上施加侧向土压力时，框架弯矩图如图4所示。
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图4 两箱地道仅在侧向土压力作用下的弯矩图
抗裂最不利位置处，弯矩引起顶板上缘受压；同时，侧向土压力对顶板施加压力。因此，对于最不利位置，侧向土压力可视为对结构承载能力有利的荷载。在计算侧向土压力时，并不能简单地提高荷载考虑。计算土压力时，也不应按照静止土压力计算。
3.2 地道结构壁厚
将顶板壁厚由1.2m增加至1.3m，其他建模参数不变，对结构进行裂缝验算，如图5所示。相较图3，顶板最大裂缝宽度略有减小，但减小幅度不大。对于跨度较大的两箱地道封闭段，增加壁厚对于减小裂缝宽度效果不大，增加壁厚引起的自重增加很可观。
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图5增加顶板壁厚后频遇组合裂缝宽度
3.3 新老规范裂缝宽度计算对比
使用《04版公路混规》对该地道封闭段结构相同荷载工况进行裂缝宽度验算，裂缝宽度如所图6所示。对比图3，可以看到顶板最大裂缝宽度比《18版公路混规》计算的小。很大程度上是因为计算时考虑的混凝土保护层厚度不同所致。
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图6《04版公路混规》验算的频遇组合裂缝宽度
4 计算结论
（1）侧向土压力并非越大对结构抗裂越不利。对于裂缝宽度最大的顶板中部，侧向土压力荷载是对承载能力有利的荷载，计算土压力时不应按照静止土压力考虑。
（2）对于两箱地道封闭段结构，由于《18版公路混规》验算裂缝宽度公式的调整，在建模时应准确输入保护层厚度。
（3）当地道断面长度较大时，增加顶板壁厚对减小最大裂缝宽度的效果有限。
参考文献：
[1] JTG 3362-2018，路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[2] JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]．
[3] JTG/T 3310-2019，公路工程混凝土结构耐久性设计规范[S].