螺旋波紋鋼管涵洞現(xiàn)場應(yīng)變測試有限元分析

李鵬飛+胡濱+曹彪

摘要：對直徑為1.5 m的小孔徑螺旋波紋鋼管涵洞進(jìn)行現(xiàn)場測試，用有限元軟件對管周和軸向測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與現(xiàn)場涵洞的實(shí)際變形情況進(jìn)行對比。結(jié)果表明：螺旋波紋管波谷、波峰的切向應(yīng)變差值與所處位置基本無關(guān)；車輛在路面行駛時，螺旋波紋管波峰、波谷出現(xiàn)的都是拉應(yīng)變。該研究為國內(nèi)螺旋波紋鋼圓管涵洞的使用和分析提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：螺旋波紋鋼管；涵洞；應(yīng)變測試；有限元分析

中圖分類號：U449.83文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： Through the field test of spiral corrugated steel pipe culvert with diameter of 15 m， the finite element software was used to analyze the tube and axial test data， and the results of the analysis were compared with the actual deformation of the culvert. The results show that the tangential strain difference of the wave crests of the spiral corrugated pipe is basically independent of the position； when there are vehicles running on the road， the wave crests of the spiral corrugated pipe all show tension strain. This study provides the basis for the use and analysis of domestic spiral corrugated steel pipe culverts.

Key words： spiral corrugated steel pipe； culvert； strain test； finite element analysis

0引言

隨著波紋鋼管在道橋工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用，其工期短、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)逐漸突顯，越來越多的工程，尤其是涵洞、小橋等，選擇用波紋鋼管取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[13]。其中應(yīng)用和研究較多的是環(huán)形波紋鋼管，如納啟才等[46]對凍土區(qū)波紋鋼管涵洞進(jìn)行應(yīng)變測試及效益分析，為波紋鋼管在高寒高海拔地區(qū)的應(yīng)用提供了參考；張紅宇等[79]研究了大孔徑波紋鋼管涵洞的受力和經(jīng)濟(jì)效益，為大孔徑波紋鋼管的使用提供了經(jīng)驗；張東山等[1012]通過大孔徑波紋鋼管涵洞在多雨山區(qū)公路上的應(yīng)用，提出了山區(qū)公路波紋鋼管涵洞施工的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。這些工作在一定程度上都給出了環(huán)形波紋鋼管涵洞在實(shí)際工程應(yīng)用中的研究成果；但是隨著波紋鋼管的推廣，螺旋波紋鋼管也開始出現(xiàn)，有關(guān)螺旋形波紋鋼管的應(yīng)用和研究還比較少。

本文以泗許高速公路為依托，通過對現(xiàn)場螺旋波紋鋼管涵洞進(jìn)行應(yīng)變測試，探討螺旋波紋鋼管涵洞在實(shí)際應(yīng)用中的受力應(yīng)變情況，為螺旋波紋鋼管的推廣和應(yīng)用提供參考。

1試驗方案

1.1涵洞基本情況

泗許高速公路安徽淮北（宿州）段1標(biāo)有直徑15 m小孔徑螺旋波紋鋼圓管涵洞，樁號為K8+4233。波形采用125 mm×25 mm形式，波圓弧半徑為40 mm；設(shè)計壁厚為3 mm，填土高度為329 m，斜交角為70°。

1.2應(yīng)變片及測點(diǎn)布置方案

管周應(yīng)變測試點(diǎn)布置如圖1所示。

在距離路中心線2 m處，取波谷、波峰2個測試斷面，每個斷面布設(shè)12個測點(diǎn)，共計24個測點(diǎn)；其中奇數(shù)表示波谷位置，偶數(shù)表示波峰位置，每個測點(diǎn)處布設(shè)1個應(yīng)變片，粘貼于管內(nèi)側(cè)。軸向應(yīng)變測試方案為：沿管軸線方向自路中心線2 m處至邊坡，在管頂0°處的波谷、波峰位置依次均勻布設(shè)56個軸向應(yīng)變片，將管周0°測試位置作為軸向測試的起始位置；之后54個應(yīng)變片分3個測區(qū)，每個測區(qū)長45 m且均勻布設(shè)18個應(yīng)變片，即每4個波（05 m）中在1個波峰和1個波谷上布設(shè)應(yīng)變片，如圖2所示。應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接至BZ2205C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。

測試時填土高度為26 m，車輛前軸重286 t，后軸重992 t，總重1278 t，軸距為45 m，輪距為18 m。以后軸作用點(diǎn)對應(yīng)位置為各個測試工況。車輛按照圖3所示的方向沿道路前進(jìn)，以管中間跨中位置為坐標(biāo)零點(diǎn)（對應(yīng)編號19、29、39），分別沿路線方向以1 m的距離向兩端延伸。試驗工況設(shè)計為：車輛在超車道、行車道、緊急停車道（路肩）行駛時平行測試3組，共39個試驗工況，編號11～113為緊急停車道（路肩）行駛工況，21～213為行車道行駛工況，31～313為超車道行駛工況。

1.3應(yīng)變片粘貼與儀器連接

在對應(yīng)測點(diǎn)內(nèi)表面粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼步驟依次為：定點(diǎn)打磨、砂紙磨平、酒精清洗、粘貼應(yīng)變片、粘貼端子、絕緣處理、焊接端子與應(yīng)變片、焊接電線、檢查連接、連接測試箱、連接儀器、準(zhǔn)備測試。各儀器按要求連接，避免斷路、短路和線路接觸不良等情況發(fā)生。連接波紋管、應(yīng)變片、平衡鐵塊、應(yīng)變儀、計算機(jī)，并外接電源，使各儀器穩(wěn)定正常工作。

1.4測試步驟

測試儀器連接妥當(dāng)后，使車輛在對應(yīng)工況位置停車測試，完畢后進(jìn)入下一工況。按照平衡、測量、讀數(shù)的操作步驟使用應(yīng)變儀進(jìn)行測量，在第1次測量前只進(jìn)行1次平衡。

2螺旋波紋鋼圓管周向試驗數(shù)據(jù)分析

圖4～6分別為車輛在路肩、行車道、超車道移動時波紋管的應(yīng)變變化。可以看出，車輛在3個車道移動時波谷、波峰表現(xiàn)出的應(yīng)變變化規(guī)律基本是相同的：隨著車輛駛來，螺旋波紋鋼管波谷、波峰的切向應(yīng)變隨之增加。但是在模型計算中并沒有這種現(xiàn)象，所以本文在有限元的數(shù)據(jù)中只提取了車輛位置在-8～0 m的數(shù)據(jù)。其原因可能是土壤黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角造成的“延時效應(yīng)”[1315]。

從圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）可知：波谷應(yīng)變值在管周45° 位置較其他位置大，225° 位置最低。說明無論波峰、波谷，車輛駛來時45° 測點(diǎn)的應(yīng)變都會受到很大的影響。分析圖6（b）可得，超車道對應(yīng)應(yīng)變值較大的測點(diǎn)依次為135°、30°、45°、90°；180° 測點(diǎn)最小。與圖4（b）、圖5（b）相對比，超車道這種現(xiàn)象更加明顯。這是由于超車道是管周測區(qū)所在位置車道，車輛對管周應(yīng)變的影響較大，同時車輛移動接近測區(qū)時，0°～180° 這一側(cè)是迎著車頭的測區(qū)，其應(yīng)變值較180°～360° 側(cè)大。

為有效分析螺旋波紋鋼圓管的斷面應(yīng)變，把每個車道距涵管中心-8 m處作為初始測點(diǎn)，用后續(xù)

波峰、波谷數(shù)值分別減去該值，得到螺旋波紋鋼管相對初始測點(diǎn)的有效應(yīng)變值，在此基礎(chǔ)上可以對管周應(yīng)變進(jìn)行分析。

圖7為車輛在路肩移動時波紋管的應(yīng)變，可知波峰、波谷切向沿著斷面基本為拉應(yīng)變，且應(yīng)變值基本相當(dāng)，呈現(xiàn)出等拉的“周向圓環(huán)狀”，即螺旋波紋鋼管應(yīng)變沿管周基本不變，這是螺旋波紋鋼管由鋼帶螺旋狀卷制形成的結(jié)果[1617]；波谷45° 測點(diǎn)處存在突出點(diǎn)。車輛位置從-7～0 m變化時相鄰工況的2條曲線間隔較大，對應(yīng)的應(yīng)變增量較大。車輛位置繼續(xù)變化，對應(yīng)曲線間隔較小，相應(yīng)增量也較小。

圖8為車輛在路肩移動時波峰、波谷的應(yīng)變差，其隨管周角度的變化規(guī)律為：應(yīng)變差在15°、135°、225°和300°測點(diǎn)表現(xiàn)為正值，在180°表現(xiàn)為較大的負(fù)值。這是因為在管頂填土的情況下，180°時管底波谷與基礎(chǔ)直接接觸，拉應(yīng)變較大，且上部荷載越大，該部位的波峰、波谷應(yīng)變差也就越大。波峰、波谷切向應(yīng)變差值基本與荷載位置沒有很大關(guān)系，而且各個測點(diǎn)應(yīng)變差在一個很小的范圍內(nèi)變動，基本保持一個相對固定的值。這說明隨著車輛荷載的移動，各個測點(diǎn)的波峰和波谷的變化基本相同。

圖9為車輛在行車道移動時波峰、波谷切向應(yīng)變變化，可知沿著斷面基本為拉應(yīng)變，且應(yīng)變值基本相當(dāng)，呈現(xiàn)出等拉的“周向圓環(huán)狀”。45°波谷具有一定的缺口，但隨著車輛位置的移動，這些缺口慢慢被修復(fù)。管底最大壓應(yīng)變?yōu)?7 με，且隨著車輛位置的移動，壓應(yīng)變也被緩和。即荷載的加入使得管周受力更加均勻，讓管材結(jié)構(gòu)形式得到充分發(fā)揮。

圖10為車輛在行車道移動時波峰、波谷應(yīng)變差隨著管周角度的變化規(guī)律，可知波峰、波谷應(yīng)變差在135°、225° 測點(diǎn)表現(xiàn)為正值，在180° 測點(diǎn)表現(xiàn)為較大的負(fù)值。對每個測點(diǎn)進(jìn)行分析可得：波峰、波谷切向應(yīng)變差值與荷載位置沒有很大關(guān)系，而且各個測點(diǎn)的應(yīng)變差都在一個很小的范圍內(nèi)變動，基本保持一個相對固定的值。這說明各個測點(diǎn)的波峰和波谷應(yīng)變變化基本相同，且與車輛荷載的相關(guān)性較小。

對比圖10、12分析可知：車輛在不同車道移動時，波峰、波谷應(yīng)變差隨著管周角度的變化規(guī)律具有一定的相似性，即波峰、波谷應(yīng)變差在135°、225° 測點(diǎn)大多表現(xiàn)為正值，在180°處表現(xiàn)為負(fù)值。這是因為在管頂填土的情況下，180°時管底波谷與基礎(chǔ)直接接觸，拉應(yīng)變比較大，且上部荷載越大，該部位的波峰、波谷應(yīng)變差也就越大。

3螺旋波紋鋼圓管軸向試驗數(shù)據(jù)分析

圖13～15為各車道荷載移動對管頂橫向位置應(yīng)變的影響，可以看出：車輛在路肩行駛時，管頂波谷、波峰切向應(yīng)變在21～28波變化幅度較大，波谷、波峰應(yīng)變值變化比較活躍，0～21波則沒有明顯跳動。說明在低路堤路肩施加荷載時，螺旋波紋鋼管涵洞管端受力影響較明顯；同時螺旋波紋鋼管的受力優(yōu)勢正是在于其波形的存在，當(dāng)車輛靠近螺旋波紋鋼管時，波峰、波谷的應(yīng)變值立即就會發(fā)生明顯變化，以抵抗外界荷載。

車輛在行車道行駛時，波谷、波峰切向應(yīng)變在8～22波變化幅度較大。同時可以看出低路堤的重車荷載對螺旋波紋鋼管涵洞的影響幅度在15個波左右，影響管長為75 m。

當(dāng)車輛在超車道行駛時，波谷、波峰切向應(yīng)變在0～7波變化幅度較大。可見車輛對涵洞的影響范圍并沒有其在行車道移動時大，這是因為車輛擴(kuò)散長度超出測試區(qū)域所致。

4結(jié)語

（1）螺旋波紋鋼管的管周向應(yīng)變值在0°～180° 測區(qū)位置較180°～360° 大，且波峰、波谷最大應(yīng)變值分別出現(xiàn)在45°、135° 測點(diǎn)。隨著車輛駛來，各車道對應(yīng)的螺旋波紋鋼管波谷、波峰切向應(yīng)變隨之增加。波峰、波谷切向應(yīng)變差值基本與車輛荷載位置不相關(guān)，而且各個測點(diǎn)應(yīng)變差基本保持在一個相對固定的值。

（2）隨著車輛的移動，波峰、波谷切向沿著周向斷面基本為拉應(yīng)變，且應(yīng)變值基本相當(dāng)，呈現(xiàn)出等拉的“周向圓環(huán)狀”。

（3）車輛在各個車道行駛時對應(yīng)的該區(qū)域軸向應(yīng)變值變化較活躍，大多數(shù)是谷值大于峰值；荷載對低路堤螺旋波紋鋼管涵洞的影響范圍在15個波左右。

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[責(zé)任編輯：杜敏浩]