雙排孔波紋鋼管涵受力性能數(shù)值模擬分析

刁建軍，張弛

（1.灌云縣公路管理站，江蘇灌云 222200；2.廈門市市政工程設(shè)計院有限公司，福建廈門 361000）

雙排孔波紋鋼管涵受力性能數(shù)值模擬分析

刁建軍1，張弛2

（1.灌云縣公路管理站，江蘇灌云 222200；2.廈門市市政工程設(shè)計院有限公司，福建廈門 361000）

波紋鋼管涵作為傳統(tǒng)砼涵洞和橋梁的經(jīng)濟替代品，有著運輸簡單、安裝方便、施工快速的特點。文中重點計算了雙排孔波形鋼管涵在不同孔間距下的應(yīng)力，并與單孔波紋鋼管涵應(yīng)力進行對比，分析了孔間距對波形鋼管涵受力的影響。結(jié)果表明孔間距變化對雙排孔鋼波紋管的最大應(yīng)力沒有明顯的影響，應(yīng)將保障施工質(zhì)量、滿足施工方便所要求的波紋管之間的最小孔間距作為首要控制條件。

橋梁；涵洞；波紋鋼管涵；孔間距；環(huán)向應(yīng)力；受力性能

波紋鋼管涵憑借鋼材良好的延性和較高的抗拉、抗壓、抗剪強度，可解決地基變形、地基不均勻沉降等問題，對不良工程地質(zhì)有很好的適應(yīng)能力，被廣泛應(yīng)用于高填方排水涵洞、代替小跨徑橋梁、立交通道、橋涵加固、管線穿越等工程。從國內(nèi)外研究與應(yīng)用情況來看，對鋼波紋管涵洞受力性能的研究多集中于單孔，對于雙排孔鋼波紋管涵少有專門研究。該文對雙排孔鋼波紋管涵在不同孔間距下的受力性能進行分析，并與單孔鋼波紋管涵進行對比，了解其相似和不同之處。

1 鋼波紋管涵有限元分析

1.1 鋼波紋管的有限元模擬

1.1.1 測點選取

由于單孔鋼波紋管的縱向尺寸遠大于橫向尺寸，可近似為平面應(yīng)變問題，在管軸方向取兩個波長建模進行計算。在橫斷面上，考慮其對稱性，取半邊提取應(yīng)力結(jié)果。分別計算管頂、中、底及上下45°方向應(yīng)力，測點編號順時針分別為1～5（見圖1）。

圖1 單孔波紋管測點示意圖

根據(jù)雙排孔鋼波紋管的對稱性，取其中一孔提取應(yīng)力計算結(jié)果。在整個圓周上，取涵管頂、管中、管底及上下45°方向應(yīng)力，測點編號順時針分別為1～5、D、C、B（見圖2）。

圖2 雙排孔波紋管測點示意圖

1.1.2 有限元模型及單元劃分

ANSYS對土體的模擬采用Solid45單元，對波紋管的模擬采用Shell63單元。靠近波紋管的土體適當(dāng)加密網(wǎng)格，距離波紋管較遠的地方網(wǎng)格稀疏，以提高計算效率（見圖3、圖4）。

圖3 網(wǎng)格的整體劃分

1.1.3 邊界條件

單孔鋼波紋管涵有限元模型底面約束全部自由度，兩側(cè)立面施加水平位移約束，其余面自由（見圖5）。雙排孔鋼波紋管涵邊界條件同上。

圖4 波紋管網(wǎng)格劃分

圖5 單孔鋼波紋管涵有限元模型邊界條件

1.1.4 計算參數(shù)

波紋管參數(shù)：波長200 mm；波高55 mm；壁厚3 mm。

波紋管用鋼材料屬性參數(shù)：密度7 800 kg／m3；彈性模量2.1×1011Pa；泊松比0.3。

土體材料屬性參數(shù)：密度1 900 kg／m3；彈性模量3.8×107Pa；泊松比0.23。

1.2 鋼波紋管涵的受力特點

根據(jù)板殼理論，鋼波紋管涵的徑向擠壓應(yīng)力很小，與環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力相比，其值一般小一兩個數(shù)量級。因地，對該方向應(yīng)力不予以分析。在試算中，鋼波紋管中的最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在1、3、5、A、C、E的波峰或波谷點，其他點的應(yīng)力均小于這些點（這種規(guī)律也符合文獻［7］的相關(guān)結(jié)果）。限于篇幅，在對比最大應(yīng)力的增量絕對值時，主要關(guān)注這些點的外側(cè)（即接觸土體側(cè)）環(huán)向應(yīng)力值。應(yīng)力以受拉為正、受壓為負。

2 雙排孔與單孔鋼波紋管涵的受力對比

2.1 波紋管環(huán)向應(yīng)力對比

計算所用鋼波紋管涵的直徑為2 m，其上覆土高度為10 m。計算雙排孔鋼波紋管涵和單孔鋼波紋管涵沿環(huán)向的應(yīng)力、豎向和水平變形隨孔間距變化的規(guī)律。雙排孔涵管間距變化取5d、4d、3d、2d、 d、0.5d、0.25d（d 為管涵直徑）。圖6為單孔鋼波紋管涵應(yīng)力云圖，圖7、圖8分別為鋼波紋管涵波峰、波谷環(huán)向應(yīng)力隨孔間距的變化。

圖6 單孔鋼波紋管涵環(huán)向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

圖7 雙排孔鋼波紋管涵波峰環(huán)向應(yīng)力隨孔間距的變化

圖8 雙排孔鋼波紋管涵波谷環(huán)向應(yīng)力隨孔間距的變化

從圖6可見：單孔鋼波紋管涵的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在波谷3處，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在波谷5處。

從圖7可見：隨著雙排孔鋼波紋管涵孔間距的減小，各點的波峰環(huán)向應(yīng)力變化有增有減。1～5號點的應(yīng)力增加，但增幅很?。籅、D兩點的應(yīng)力較明顯地減??；C處環(huán)向應(yīng)力在孔間距大于2d時緩慢增加，小于2d 時增加顯著，在孔間距小于0.25d 時達到波峰最大應(yīng)力。

從圖8可見：隨著雙排孔鋼波紋管涵孔間距的減小，各點的波谷環(huán)向應(yīng)力變化和波峰環(huán)向應(yīng)力不同。除B、D點外，其他各點的應(yīng)力都呈現(xiàn)減小趨勢，但減小趨勢不明顯。B、D兩點的應(yīng)力呈增加趨勢，變化速度從孔間距小于2d時變得顯著?？组g距為0.25d時，3號點處的應(yīng)力最大。

綜合波峰和波谷的環(huán)向應(yīng)力結(jié)果，在孔間距減小到0.25d時，最大拉（壓）應(yīng)力并沒有增大。

取雙排孔管涵間距為5d、4d、3d、2d、d、0.5d、0.25d時的應(yīng)力結(jié)果，分別與單孔作比較，計算增加或減小的百分比（正號表示增加，負號表示減小），結(jié)果見表1、表2。

表1 環(huán)向波峰應(yīng)力變化百分比

表2 環(huán)向波谷應(yīng)力變化百分比

2.2 波紋管豎向及水平向位移隨孔間距的變化

如表3、表4所示，隨著雙排孔波紋管涵孔間距的減小，鋼波紋管的豎向變形量逐漸減小，孔間距大于d時變化較慢，孔間距小于d時變化加快；隨著孔間距的減小，水平向變形增加，孔間距小于d時逐漸穩(wěn)定。

表3 豎向及水平向位移變化量

表4 豎向及水平向位移變化百分比

3 結(jié)論及工程建議

（1）雙排孔波紋管涵的孔間距變化時，其受力性能和單孔波紋管涵相比會有變化，當(dāng)孔間距小于3d時，各點處的變化率小于10%；當(dāng)孔間距小于2d時，各點的受力出現(xiàn)明顯變化。

（2）孔間距會對波紋管涵各點應(yīng)力產(chǎn)生影響，孔間距減小會使個別點的應(yīng)力增加。當(dāng)孔間距大于0.25d時，從最大應(yīng)力點的變化量來看，波紋管最大應(yīng)力變化量在5%以內(nèi)，并沒有急劇增加。因此，在孔間距大于0.25d時，波紋管的應(yīng)力隨著孔間距減小而增加的量不必考慮。

（3）雙排孔波紋管涵在土壓力作用下水平位移隨著孔間距的減小會增大，但按照最大變形5%的要求，其變形符合施工要求。

（4）建議以能保障施工質(zhì)量、滿足施工方便要求的波紋管孔間距作為首要控制條件，如方便填土施工、保障填土密實度等。滿足這些條件或孔間距大于0.25d時，雙排孔波紋管涵的應(yīng)力和單孔波紋管涵應(yīng)力差別不大。

［1］ 李祝龍，章金釗.高原多年凍土地區(qū)波紋管涵應(yīng)用技術(shù)研究［J］.公路，2000（2）.

［2］ 王軍剛，劉強.鋼波紋管涵在山區(qū)高速公路中的應(yīng)用［J］.中外公路，2009，29（2）.

［3］ Pettersson L.Design of soil steel composite bridges according to the eurocodes［R］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2012.

［4］ 趙衛(wèi)國，李祝龍，李創(chuàng)軍.公路鋼波紋管涵洞的研究與應(yīng)用展望［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007（8）.

［5］ 馮麗.考慮土-結(jié)相互作用的覆土波紋鋼板圓管涵的力學(xué)性能分析［D］.北京：北京交通大學(xué)，2010.

［6］ 烏延玲，馮忠居，王彥志，等.鋼波紋管涵洞受力與變形特性現(xiàn)場試驗分析［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，43（4）.

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