CN115058992A - 一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构包括若干个连接的棚洞单元，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构一侧与边坡之间形成填充层，其顶部与黏土隔水层之间形成有缓冲层。该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构通过缓冲层能够接收落石的冲击力，并通过棚洞单元将冲击力分解为水平力和竖向力，棚洞自身能够抵消水平力，同时竖向力可以通过棚洞结构传递至地基，从而形成了拱‑板自稳体系，结构整体荷载传递路径明晰，大幅提高了框架式棚洞的抗落石冲击的能力，同时多个拱形板形成的坡度使得洞顶落石不易堆积，确保了道路的行车安全。

Description

一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构及设计方法

技术领域

本发明涉及公路工程技术领域，特别涉及一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构及设计方法。

背景技术

棚洞作为防范危岩落石的一种被动措施，在山岭公路的落石防治中已被广泛应用。现有的棚洞主要形式包括拱式棚洞、框架式棚洞、悬臂式棚洞等。其中，框架式棚洞施工及维护相对方便，且结构构件简单，是常见的一种公路棚洞形式。但传统框架式棚洞在承受落石冲击时存在消能能力弱、自稳能力差等问题，对道路行车安全造成了隐患。

发明内容

本发明提供一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构及设计方法，旨在保留传统框架式棚洞结构构件简单、施工便利等优点的同时，大幅提高结构抗冲击能力、自稳能力，同时形成人造坡便于落石滚离棚洞，保证了道路行车的安全性。

本发明采用的技术方案为：

一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构位于边坡的一侧，同时位于黏土隔水层的底部，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构的底部埋入地基，其顶部远离边坡一端通过挡块与黏土隔水层的端头固定连接；该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构包括若干个连接的棚洞单元，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构一侧与边坡之间形成填充层，其顶部与黏土隔水层之间形成有缓冲层；该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构通过缓冲层能够接收落石的冲击力，并通过棚洞单元将冲击力分解为水平力和竖向力，棚洞自身能够抵消水平力，同时竖向力可以通过棚洞结构传递至地基。

进一步，所述棚洞单元为拱形门状结构，其包括立墙、立柱、托梁、平顶板、拱形板、下部承台、系梁和桩基础；所述立柱的顶部固定安装托梁，其底部固定安装下部承台，下部承台的底部固定连接桩基础；所述平顶板固定安装于两个立柱顶部的托梁之间，所述系梁固定安装于两个立柱底部的下部承台之间，所述拱形板固定安装于两个立柱顶部的托梁之间，其位于平顶板上方，其开口朝向平顶板；相邻的棚洞单元之间共用一组立柱、托梁、下部承台和桩基础；邻近边坡的棚洞单元的一侧立柱通过立墙进行替代。

进一步，所述棚洞单元一字排列，且各棚洞单元的拱形板的矢高由靠近边坡一侧向远离边坡一侧依次降低。

进一步，所述各棚洞单元的拱形板的切点连线的坡度为3％～10％。

进一步，所述填充层为浆砌片石或素混凝土。

进一步，所述缓冲层为碎石土。

一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构的设计方法，该设计方法基于上述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：包括以下步骤：步骤1，建立首个棚洞单元，该棚洞单元的拱形板的矢跨比，即矢高f₁/棚洞单幅净跨度b₁的比值应满足1/8～1/4，同时需保证缓冲层的厚度不小于1.5m；步骤2，在已知首个棚洞单元的矢高f₁和棚洞单幅净跨度b₁的前提下，计算首个棚洞单元的拱形板的半径r₁，在拱形板矢高f₁及半径r₁均已知的情况下，根据预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角θ，计算首个拱形板切点的高度h₁、切点至拱轴中线的距离d₁；步骤3，预设相邻棚洞单元的的棚洞单幅净跨度b₂，根据首个棚洞单元的切点至拱轴中线的距离所对应的夹角θ、切点至拱轴中线的距离d₁、以及首个棚洞单元拱轴与相邻棚洞单元拱轴的预设距离L₁，计算相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂，拱形板的半径值r₂、拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂；步骤4，根据相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂，拱形板的半径值r₂、拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂建立相邻棚洞单元；步骤5，根据预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角θ、相邻棚洞单元切点至拱轴中线的距离d₂、次相邻棚洞单元预设跨度b₃、以及相邻棚洞单元拱轴与次相邻棚洞单元拱轴的预设距离L₂，重复步骤2至步骤4建立次相邻棚洞单元，直至棚洞单元数量满足需求，所由棚洞单元的拱形板上切点的位置即能够形成人造坡。

进一步，通过步骤1到步骤5所设计的自稳的拱板结合式棚洞结构的各棚洞单元的拱形板的切点连线的坡度与黏土隔水层的坡度相同，均在3％～10％的范围内，同时能够保证缓冲层的厚度不小于1.5m。

进一步，步骤2中首个棚洞单元的拱形板的半径r₁的计算公式为：

式中f₁为首个棚洞单元的拱形板的矢高，b₁为首个棚洞单元的棚洞单幅净跨度；首个棚洞单元的拱形板切点的高度h₁的计算公式为：h₁＝f₁+r₁(cosθ-1)；式中θ预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角；首个棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离d₁的计算公式为：d₁＝r₁sinθ。

进一步，步骤3中相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂的计算公式为：

M＝cosθ-1+sinθtanθ，N＝(L₁-d₁)tanθ-h₁；式中θ预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角，L₁为首个棚洞单元拱轴与相邻棚洞单元拱轴的预设距离，d₁为首个棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离，h₁为首个棚洞单元的拱形板切点的高度；由公式：

h₂＝f₂+r₂(cosθ-1)、d₂＝r₂sinθ即可算出相邻棚洞单元的拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂。

本发明的有益效果是：

当发生落石灾害时，落石的冲击力由缓冲层传递给棚洞单元的拱形板，拱形板在拱脚处将落石冲击的轴力分解为竖向力和水平力；竖向力通过立墙、立柱及下部结构直接传递至地基，而平顶板提供的拉力可以抵消水平力的作用，从而形成了拱-板自稳体系。

该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构的结构整体荷载传递路径明晰，大幅提高了框架式棚洞的抗落石冲击的能力，同时两拱形板形成的坡度使得洞顶落石不易堆积，确保了道路的行车安全。

附图说明

图1为本发明的立面结构示意图；

图2为本发明的侧面结构示意图；

图3为本发明的设计方法示意图；

图4为本发明设计方法的验证示意图；

图1—2中，1—该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，2—边坡，3—黏土隔水层，4—地基，5—挡块，6—填充层，7—缓冲层，8—立墙，9—立柱，10—托梁，11—平顶板，12—拱形板，13—下部承台，14—系梁，15—桩基础，16—各棚洞单元的拱形板的切点连线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，处理图中示出的方位之外，空间术语意在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定为在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位，这里所用的空间相对说明可以相应地解释。

如图1—2所示，本实施例提出了一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1位于边坡2的一侧，同时位于黏土隔水层3的底部，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1的底部埋入地基4，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1的顶部远离边坡2一端通过挡块5与黏土隔水层3的端头固定连接。该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1包括两个连接的棚洞单元。该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1一侧与边坡2之间形成填充层6，所述填充层6优选采用浆砌片石或素混凝土。该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1的顶部与黏土隔水层3之间形成有缓冲层7；所述缓冲层7优选采用碎石土。

当黏土隔水层3上方发生落石灾害时，落石的冲击力由缓冲层7传递给棚洞单元，棚洞单元将落石冲击的轴力分解为竖向力和水平力；棚洞单元自身能够抵消水平力，并同时可以将竖向力传递至地基4。该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构1的结构整体荷载传递路径明晰，自稳能力好，大幅提高了框架式棚洞的抗落石冲击的能力，确保了道路的行车安全。

本实施例中还给出了棚洞单元的具体结构，如图1所示，所述棚洞单元为拱形门状结构，棚洞单元包括立墙8、立柱9、托梁10、平顶板11、拱形板12、下部承台13、系梁14和桩基础15。

具体的，所述立柱9的顶部固定安装托梁10，立柱9的底部固定安装下部承台13，下部承台13的底部固定连接桩基础15。所述平顶板11固定安装于两个立柱9顶部的托梁10之间，所述系梁14固定安装于两个立柱9底部的下部承台13之间，所述拱形板12固定安装于两个立柱9顶部的托梁10之间，拱形板12位于平顶板11上方，拱形板12的开口朝向平顶板11。相邻的棚洞单元之间共用一组立柱9、托梁10、下部承台13和桩基础15。邻近边坡2的棚洞单元的一侧立柱9通过立墙8进行替代。当黏土隔水层3上方发生落石灾害时，拱形板12在拱脚处将落石冲击的轴力分解为竖向力和水平力；竖向力通过立墙8或立柱9、下部承台13、桩基础15直接传递至地基4，而平顶板11提供的拉力可以抵消水平力的作用，从而形成了拱-板自稳体系。

进一步的，作为本实施例的优选方案，本实施例中的两个棚洞单元一字排列，且各棚洞单元的拱形板12的矢高由靠近边坡2一侧向远离边坡2一侧依次降低。所述各棚洞单元的拱形板的切点连线16的坡度优选在3％～10％。这样设置使得黏土隔水层3具有一定的坡度，进而避免落石大量堆积，进一步确保了道路的行车安全。

上述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构可通过以下设计方法进行设计，参照图1、图2和图3，在托梁10上设置拱形板12和平顶板11综合外部荷载情况及构造要求设置平顶板11及拱形板12的板厚，并在设计时使得平顶板11、拱形板12与棚洞单元竖向截面中心在同一轴线上，具体设计方法包括以下步骤：

步骤1：建立首个棚洞单元；该棚洞单元的拱形板的矢跨比，即矢高f₁/棚洞单幅净跨度b₁的比值应满足1/8～1/4；同时需保证缓冲层的厚度不小于1.5m。

步骤2：在已知首个棚洞单元的矢高f₁和棚洞单幅净跨度b₁的前提下，计算首个棚洞单元的拱形板的半径r₁；

首个棚洞单元的拱形板的半径r₁的计算公式为：

式中f₁为首个棚洞单元的拱形板的矢高，b₁为首个棚洞单元的棚洞单幅净跨度；

在拱形板矢高f₁及半径r₁均已知的情况下，根据预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角θ，计算首个拱形板切点的高度h₁、切点至拱轴中线的距离d₁。

首个棚洞单元的拱形板切点的高度h₁的计算公式为：

h₁＝f₁+r₁(cosθ-1)；

式中θ预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角；

首个棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离d₁的计算公式为：

d₁＝r₁sinθ。

步骤3：预设相邻棚洞单元的的棚洞单幅净跨度b₂，根据首个棚洞单元的切点至拱轴中线的距离所对应的夹角θ、切点至拱轴中线的距离d₁、以及首个棚洞单元拱轴与相邻棚洞单元拱轴的预设距离L₁，计算相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂，拱形板的半径值r₂、拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂。

为求得拱形板2的矢高f2，对

四式联立求解，相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂的计算公式为：

M＝cosθ-1+sinθtanθ，N＝(L₁-d₁)tanθ-h₁；

式中θ预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角，L₁为首个棚洞单元拱轴与相邻棚洞单元拱轴的预设距离，d₁为首个棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离，h₁为首个棚洞单元的拱形板切点的高度；

由公式：

h₂＝f₂+r₂(cosθ-1)、

d₂＝r₂sinθ；

即可算出相邻棚洞单元的拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂，从而明确两个拱形板上切点的位置，便于形成人造坡。

步骤4，根据相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂，拱形板的半径值r₂、拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂建立相邻棚洞单元。

步骤5，根据预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角θ、相邻棚洞单元切点至拱轴中线的距离d₂、次相邻棚洞单元预设跨度b₃、以及相邻棚洞单元拱轴与次相邻棚洞单元拱轴的预设距离L₂，重复步骤2至步骤4建立次相邻棚洞单元，直至棚洞单元数量满足需求，所由棚洞单元的拱形板上切点的位置即能够形成人造坡。

进一步，通过步骤1到步骤5所设计的自稳的拱板结合式棚洞结构的各棚洞单元的拱形板的切点连线的坡度与黏土隔水层的坡度相同，均在3％～10％的范围内，同时能够保证缓冲层的厚度不小于1.5m。

为了对本发明设计进行理论验证，以图4中双线时速80公里的高速公路棚洞为例，棚洞单元单幅净宽12.6m，立柱厚度取1m、拱形板取0.8m、平顶板取0.7m。为在棚洞顶部形成坡度i大致7.29％的斜坡，则在矢跨比为1/8～1/4的条件下，取首个棚洞单元的拱形板的f₁为2.80m，两拱形板得切线与水平面的夹角θ＝4°10′00″；

利用计算公式

求出拱形板的r₁为8.487m；

采用计算公式h₁＝f₁+r₁(cosθ-1)、d₁＝r₁sinθ得到拱形板的切点高度h₁为2.778m、切点至拱轴中线的距离d₁为0.617m。

相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂采用公式：

进行计算，得到矢高f₂为1.80m；

进一步地利用矢高f₂通过公式：

h₂＝f₂+r₂(cosθ-1)、d₂＝r₂sinθ；求得，相邻棚洞单元的拱形板的半径值r₂为11.904m、切点的高度h₂为1.769m、相邻棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离d₂为0.865m。

以确定首个棚洞单元的拱形板12及相邻棚洞的拱形板12的切线16为基准，向两个拱形板12外表面方向填筑1.5m的碎石土形成缓冲层7，此时黏土隔水层3的坡度与该切线16的坡度相同，当发生落石灾害时，落石向远离边坡2一侧滚落，避免落石大量堆积，确保道路的行车安全。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构位于边坡的一侧，同时位于黏土隔水层的底部，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构的底部埋入地基，其顶部远离边坡一端通过挡块与黏土隔水层的端头固定连接；该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构包括若干个连接的棚洞单元，该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构一侧与边坡之间形成填充层，其顶部与黏土隔水层之间形成有缓冲层；

该上部为自稳的拱板结合式棚洞结构通过缓冲层能够接收落石的冲击力，并通过棚洞单元将冲击力分解为水平力和竖向力，棚洞自身能够抵消水平力，同时竖向力可以通过棚洞结构传递至地基。

2.根据权利要求1所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：所述棚洞单元为拱形门状结构，其包括立墙、立柱、托梁、平顶板、拱形板、下部承台、系梁和桩基础；

所述立柱的顶部固定安装托梁，其底部固定安装下部承台，下部承台的底部固定连接桩基础；所述平顶板固定安装于两个立柱顶部的托梁之间，所述系梁固定安装于两个立柱底部的下部承台之间，所述拱形板固定安装于两个立柱顶部的托梁之间，其位于平顶板上方，其开口朝向平顶板；相邻的棚洞单元之间共用一组立柱、托梁、下部承台和桩基础；邻近边坡的棚洞单元的一侧立柱通过立墙进行替代。

3.根据权利要求2所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：所述棚洞单元一字排列，且各棚洞单元的拱形板的矢高由靠近边坡一侧向远离边坡一侧依次降低。

4.根据权利要求3所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：所述各棚洞单元的拱形板的切点连线的坡度为3％～10％。

5.根据权利要求1所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：所述填充层为浆砌片石或素混凝土。

6.根据权利要求1所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：所述缓冲层为碎石土。

7.一种上部为自稳的拱板结合式棚洞结构的设计方法，该设计方法基于权利要求1-7任一所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，建立首个棚洞单元，该棚洞单元的拱形板的矢跨比，即矢高f₁/棚洞单幅净跨度b₁的比值应满足1/8～1/4，同时需保证缓冲层的厚度不小于1.5m；

步骤2，在已知首个棚洞单元的矢高f₁和棚洞单幅净跨度b₁的前提下，计算首个棚洞单元的拱形板的半径r₁，在拱形板矢高f₁及半径r₁均已知的情况下，根据预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角θ，计算首个拱形板切点的高度h₁、切点至拱轴中线的距离d₁；

步骤3，预设相邻棚洞单元的的棚洞单幅净跨度b₂，根据首个棚洞单元的切点至拱轴中线的距离所对应的夹角θ、切点至拱轴中线的距离d₁、以及首个棚洞单元拱轴与相邻棚洞单元拱轴的预设距离L₁，计算相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂，拱形板的半径值r₂、拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂；

步骤4，根据相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂，拱形板的半径值r₂、拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂建立相邻棚洞单元；

步骤5，根据预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角θ、相邻棚洞单元切点至拱轴中线的距离d₂、次相邻棚洞单元预设跨度b₃、以及相邻棚洞单元拱轴与次相邻棚洞单元拱轴的预设距离L₂，重复步骤2至步骤4建立次相邻棚洞单元，直至棚洞单元数量满足需求，所由棚洞单元的拱形板上切点的位置即能够形成人造坡。

8.根据权利要求7所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构设计的设计方法，其特征在于：通过步骤1到步骤5所设计的自稳的拱板结合式棚洞结构的各棚洞单元的拱形板的切点连线的坡度与黏土隔水层的坡度相同，均在3％～10％的范围内，同时能够保证缓冲层的厚度不小于1.5m。

9.根据权利要求7所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构设计的设计方法，其特征在于：

步骤2中首个棚洞单元的拱形板的半径r₁的计算公式为：

式中f₁为首个棚洞单元的拱形板的矢高，b₁为首个棚洞单元的棚洞单幅净跨度；

首个棚洞单元的拱形板切点的高度h₁的计算公式为：h₁＝f₁+r₁(cosθ-1)；

式中θ预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角；

首个棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离d₁的计算公式为：d₁＝r₁sinθ。

10.根据权利要求9所述的上部为自稳的拱板结合式棚洞结构设计的设计方法，其特征在于：

步骤3中相邻棚洞单元的拱形板的矢高f₂的计算公式为：

M＝cosθ-1+sinθtanθ，N＝(L₁-d₁)tanθ-h₁；

式中θ预设各棚洞单元的拱形板的切点连线与水平面夹角，L₁为首个棚洞单元拱轴与相邻棚洞单元拱轴的预设距离，d₁为首个棚洞单元的拱形板的切点至拱轴中线的距离，h₁为首个棚洞单元的拱形板切点的高度；

由公式：

h₂＝f₂+r₂(cosθ-1)、d₂＝r₂sinθ即可算出相邻棚洞单元的拱形板的切点的高度h₂、拱形板切点至拱轴中线的距离d₂。

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