鋼筋混凝土異型管涵的力學性能研究＊

張 俊 張謝東

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （內蒙古交通設計研究院有限責任公司2） 呼和浩特 010010）

通過對鋼筋混凝土圓管涵進行結構優化，擬建了一種新型的鋼筋混凝土異型管涵結構，并對該異型管涵進行相應的靜載試驗和有限元分析，檢驗其受力性能，并比較其與圓管涵的力學差異性．

1 靜載試驗

1．1 異型管涵構造

該異型管涵是對圓管涵頂部采取改變受力作用面和增大截面面積辦法，對圓管底部加設剛性基座而變成的一種新型管涵，這種結構形式能夠很好地擺放和安裝涵管，同時，其受力更加優越，管頂變截面和管底變截面與管涵圓弧段相切［1－5］．

異型管涵配筋見圖1．

圖1 異型管涵橫截面和縱截面圖（單位：cm）

1．2 試驗方案及實施

通過加載試驗，以檢驗其應力、應變、裂縫和承載能力．由于目前異型管涵沒有相應的試驗標準和指南，因此參考圓管涵試驗相關標準進行室內加載試驗，主要參照文獻［6］和《混凝土和鋼筋混凝土排水管（GB／T11836－2009）》中相關標準和要求進行試驗．

異型管模擬圓管試驗方法，采用近似三點法，上部施加一線荷載（截面為1點），下部以異型管底面為承載面（模擬三點試驗法中的下2點），也就是通用的三點試驗法，通過液壓千斤頂的分級加載，檢驗該鋼筋混凝土異型管涵的材料和結構特性［7－8］．

1．3 試驗設備及布置

本試驗環向應變測試選取異型管涵的管端截面和管中截面2個控制截面，端部控制截面距離端口50cm，應變測點按環內壁12等分布設，外壁相應部分與之對應，具體布置見圖2．徑向變形主要監測管涵2個控制截面的豎向變形和側向變形．

1．4 試驗結果分析

圖2 異型管涵應變測點布置

1）異型管涵環向應力分析 鋼筋混凝土異型管涵在逐級加載下I—I，II—II截面管壁內外側環向應力基本相似，見圖3．由圖可知，管端截面和管中截面在50～250kN荷載作用下結構受力性狀基本一致，且環向應力大小隨荷載增大而增大．由于管涵為對稱結構，此處僅分析管涵一半的環向應力分布．管涵內壁環向應力：在管頂測點1和測點12處出現最大拉應力，然后沿管周方向逐漸減小，在管側測點4和測點15處出現較大壓應力，到管底測點24和測點18處又轉為拉應力；管涵外壁環向應力：環向應力在管頂附近為壓應力，漸變至管側測點31和測點35處出現較大拉應力，沿管底方向逐漸減小．

圖3 異型管涵I—I截面在不同荷載下內、外側應變比較

采用相同條件下對內徑為1．5m的鋼筋混凝土圓管涵進行試驗，根據試驗數據得出異型管涵環向應力分布狀況與圓管涵有所相似但也有不同，主要是管頂、管底和兩側等受力比較集中的部位，此處僅拿管端截面進行比較，如圖4．在同等荷載條件下，圓管涵相應部位應變明顯比異型管涵的大，且圓管涵承載能力比異型管涵要小，圓管涵在110kN荷載作用下基本已經破壞，而異型管涵未開裂，從120kN加載至250kN時，異型管涵有裂縫產生，直至300kN管體基本破壞．對比可知：管頂內壁拉應變與管側外壁最大拉應變差不多，但管底內壁拉應變相對較小，說明該異型管涵通過對管底結構優化效果明顯．

圖4 異型管涵與圓管涵應變比較

2）異型管涵徑向變形分析 逐級加載后對異型管涵徑向變形進行監測，位移變化見圖5，其中左右兩側分別讀數，豎直方向為整個管徑方向的變形．可以看出隨荷載不斷增大，管涵結構變形也在逐漸增大，豎向直徑減小，橫向直徑增大，豎向變形與橫向變形數值基本相當，且加載初期0～60kN過程中，位移增幅明顯，隨后略趨于緩和直至破壞．

圖5 異型管涵徑向變形

3）異型管涵裂縫分析 鋼筋混凝土異型管涵的裂縫發展形勢和分布狀況與圓管涵基本相似，管頂部位內壁和管兩側外壁部位會產生裂縫，但異型管涵管底部位基本沒有裂縫產生．試驗過程中，試驗加載到220kN時，異型管涵管體沒有發現裂縫，而后卸載至120kN，再次加壓至260 kN過程中產生裂縫，加載值為260kN時，管涵外壁出現寬度在0．20～0．30mm之間的貫穿裂縫，加載直至300kN時管體基本破壞．

2 異型管涵有限元分析

2．1 單元的選取

采用ANSYS建立有限元實體模型．其中鋼筋混凝土管體采用8節點實體單元SOLID－65模擬，地基土和回填土均采用SOLID－45單元來模擬，通過設置材料的粘聚力和內摩擦角來反映土體性質．

2．2 計算參數的選取

根據相關資料和實際情況，計算模型中材料參數的取值見表1．

表1 材料計算參數

2．3 邊界條件

在模型中，管涵兩側土體取10m，下方地基土取3m，為了能夠與現場實際情況進行對比，管頂上方的回填土按施工填土高度分別為0，0．400，1．200，1．500，2．000，2．500，3．000，3．400，4．800，6．000，7．200，8．256m 共12級．為了模擬土體自然沉降和橫向變形，在管涵土體底部設置Y方向固定約束，左右兩側考慮到土體較長也設置為X方向約束．縱向方向上對土體設置縱向約束，對管涵不設置約束，僅考慮管體與土體之間的相互作用，目標面采用Target170單元來模擬，接觸面采用Conta174單元來模擬，給目標單元和接觸單元指定相同的實常數號，使二者形成一個“接觸對”，這樣就能良好的模擬接觸問題．

2．4 模型的建立

按照設計異型管涵的結構尺寸建立有限元實體模型，見圖6，網格劃分后共生成2 980個單元．為了分析填土與異型管涵的相互作用，同時建立土體與異型管涵的實體模型，見圖7．

圖6 異型管實體模型

圖7 異型管與土體的實體模型

上埋式鋼筋混凝土異型管涵的靜荷載可分為垂直壓力、側向壓力和結構自重3種，通過在不同填土高度下的異型管涵模型，并且結合圓管涵內力情況對鋼筋混凝土異型管涵進行相應內力分析．

2．5 內力分析結果

在不同填土高度下，異型管涵受力彎矩如圖8，圓管涵彎矩圖如圖9．

圖8 異型管涵彎矩圖

圖9 圓管涵彎矩圖

圖10 異型管涵彎矩

圖11 圓管涵彎矩

由圖8～圖11可見，不管是圓管涵還是異型管涵，其結構內力均隨填土高度呈線性增長，異型管涵的內力分布與圓管涵有所不同．通過對異型管涵和圓管涵彎矩相對比，在相同填土高度下相同位置，圓管涵彎矩值都大于異型管涵彎矩值，特別是在管頂位置，圓管涵所受彎矩遠大于異型管涵．通過對圓管涵的病害分析可知，在圓管涵內壁頂部和外壁側面易產生裂縫，這與其受力特性是相符的，但是異型管涵在管頂位置處的彎矩值遠小于圓管涵的，說明異型管涵相比與管涵能夠承受更大的荷載．

按照室內工程試驗的加載方法，在有限元模型中對鋼筋混凝土異型管－圓管實體結構進行分級加載，加載值為50，100，150，200，250kN，加載后結構應力分布與圖12相似．異型管涵結構應力集中的部位主要是在異型管涵頂部內外壁及其附近區域、管兩側內外壁和管底內外壁位置，有限元模型計算結果與工程實驗結果基本相似．

圖12 50kN荷載下異型管、圓管應力分布圖

分析可知圓管涵受力最不利位置在管頂、管側和管底部位，在這幾個部位與異型管涵相對比，考慮到混凝土材料特性，僅對管頂和管底內壁、管側外壁進行對比分析其結構拉應力的差別．

異型管涵與圓管涵管頂內壁位置應力值比較見圖13，異型管涵與圓管涵最大拉應力值隨荷載值的增大呈線性增長，但是圓管涵增長幅度較大．異型管涵正頂部拉應力與最大拉應力基本相當，在相同荷載情況下，圓管涵應力值要遠大于異型管涵．在荷載值加載到100kN時，圓管涵拉應力已經達到3．21MPa，已經超過其抗拉強度極限，隨著荷載值的增大，圓管涵該部位已經發生破壞，在實際過程中不會承載如此大的荷載．但是異型管涵在荷載達到250kN時，最大拉應力為2．75 MPa，雖然也已經到達混凝土抗拉強度極限，但是充分說明異型管涵承載能力要比圓管涵提高幾倍．

圖13 異型管涵與圓管涵頂部內壁應力值

異型管涵與圓管涵管側外壁位置應力值比較見圖14，異型管涵與圓管涵最大拉應力值隨荷載值的增大呈線性增長，但是圓管涵增長幅度較大．異型管涵正頂部拉應力與最大拉應力基本相當，在相同荷載情況下，圓管涵應力值要遠大于異型管涵．

圖14 異型管涵與圓管涵側外壁應力值

異型管涵與圓管涵管底內壁位置應力值比較如圖15，異型管涵與圓管涵最大拉應力值隨荷載值的增大呈線性增長，但是圓管涵增長幅度較大．異型管涵正頂部拉應力與最大拉應力基本相當，在相同荷載情況下，圓管涵應力值要遠大于異型管涵．

圖15 異型管涵與圓管涵管底內壁應力值

3 異型管涵變形

通過工程試驗可知，圓管涵在受到管頂荷載時的變形特點是管頂向下變形，管底向上變形，兩側向外變形，也就是豎向內徑變小，水平向內徑變大，異型管涵的變形情況也大致一樣，但是異型管涵底部變形量較小，見圖16．

圖16 荷載下異型管變形

4 結 論

1）異型管涵內外壁應力相反，內壁為拉應力時，相對應外壁表現為壓應力．

2）管頂外壁和管側內壁部位均屬于受壓區，管頂、管底內壁和管側外壁部位屬于受拉區，內壁應力與其對應外壁應力相反，但也略有差異．在荷載作用下，異型管涵管頂向下變形，管底向上變形，兩側向外變形，也就是豎向內徑變小，水平向內徑變大．

3）通過對鋼筋混凝土圓管涵和鋼筋混凝土異型管涵各方面的對比，異型管涵承載能力遠大于圓管涵，證明了該型管涵的結構優越性和合理性．

［1］謝永利，劉保健，楊曉華，等．公路涵洞工程［M］．北京：人民交通出版社，2009．

［2］魏紅衛．埋入式圓形管涵的力學分析與裂縫控制［D］．長沙：長沙交通學院，2001．

［3］任銀飛，王建國，逄煥平．六武高速公路裝配式涵洞結構有限元優化分析［J］．工程與建設，2009，23（3）：296－298．

［4］ MASADAL T．Inspection and risk assessment of concrete culverts under Ohio’s Highways［J］．Performance of Constructed Facilities，2007，21（3）：55－59．

［5］McGRATH T J．Performance of thermoplastic culvert pipe under highway vehicle loading［C］．Pipeline Division Specialty Conference，Cleveland，Ohio，USA：2002．

［6］中華人民共和國國家質量監督檢疫總局．混凝土和GB／T 16752－2006鋼筋混凝土排水管試驗方法［S］．北京：人民交通出版社，2006．

［7］黃謀釗，方 志，張浩江，等．鋼筋混凝土圓管涵受力的試驗研究［J］．湖南交通科技，2002（12）：85－87．

［8］中華人民共和國國家質量監督檢疫總局．GB 50069—2002給排水工程構筑物結構設計規范［S］．北京：人民交通出版社，2002．