關(guān)于公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)的相關(guān)分析

李傳亮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

關(guān)于公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)的相關(guān)分析

李傳亮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

鋼波紋管涵是一種典型的空間薄殼柔性結(jié)構(gòu)，波紋可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的受力性能，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度、變形等方面的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)鋼筋混凝土涵結(jié)構(gòu)相比，鋼波紋管涵具有運(yùn)輸安裝方便、環(huán)保性能良好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，故在公路涵洞和通道等項(xiàng)目施工中得以廣泛應(yīng)用，詳細(xì)介紹了公路鋼波紋管涵的概念、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)、施工工藝和主要參數(shù)計(jì)算方法等設(shè)計(jì)情況，希望對(duì)今后類似工程施工有一定的參考價(jià)值。

鋼波紋管涵；設(shè)計(jì)情況；公路涵洞施工

1 鋼波紋管涵的介紹

鋼波紋管涵是指利用機(jī)械施工手段將鋼波紋管和土密切結(jié)合在一起，以形成一個(gè)完整的抗車輛荷載涵洞形式。鋼波紋管涵作為一種柔性結(jié)構(gòu)，可利用這一特性將涵洞形成土拱效應(yīng)，將涵洞最上端部分所承受的荷載轉(zhuǎn)移至洞體兩側(cè)，以減少涵洞所承受的外界荷載，保證涵洞整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，充分發(fā)揮涵洞所形成的管—土共同體系的作用。

鋼波紋管涵在公路涵洞施工中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下方面。

(1)鋼波紋管對(duì)地基的要求較低，且在地基處理這一環(huán)節(jié)上無需花費(fèi)較多的費(fèi)用，且基本是在保破壞原地基的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工的，尤為適用于北部的軟土、凍土等地區(qū)，對(duì)保證路基內(nèi)部的水熱平衡等具有重要作用。

(2)采用圓形設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)受力較矩形結(jié)構(gòu)更為合理，荷載分布均勻，抗變形能力、耐久性強(qiáng)，減少通車后養(yǎng)護(hù)成本等。

(3)管涵通常采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化加工、施工工藝簡(jiǎn)單，能明顯縮短工期并降低施工成本。

(4)鋼波紋管涵四周均涂刷了防腐涂料，故其耐腐蝕性及耐久性能更好。

2 公路鋼波紋管涵洞施工工藝

傳統(tǒng)的鋼波紋管涵施工工序?yàn)橄冗M(jìn)行鋼波紋管涵準(zhǔn)確定位安裝，再在管涵兩側(cè)進(jìn)行逐層回填砂礫土，采用小型夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，最后進(jìn)行管涵兩端八字墻及相關(guān)附屬工程施工。傳統(tǒng)的施工方法導(dǎo)致涵背兩側(cè)不密實(shí)，尤其是緊貼管涵部分，易產(chǎn)生涵背空洞等質(zhì)量病害，通過改變施工工藝，先進(jìn)行整體基礎(chǔ)換填，與相鄰路基同步進(jìn)行填筑施工，填筑至鋼波紋管涵中部位置高程時(shí)，采用經(jīng)過改裝后的挖掘機(jī)進(jìn)行反開挖施工，開挖完成后進(jìn)行鋼波紋管涵安裝，最后進(jìn)行涵背兩側(cè)回填、兩側(cè)八字墻及相關(guān)附屬工程施工。

3 公路鋼波紋管涵洞的設(shè)計(jì)分析

鋼波紋管的結(jié)構(gòu)計(jì)算方式包括施工過程驗(yàn)算、波形鋼板構(gòu)件計(jì)算、有限元模型等，主要以有限元模型和AISI(環(huán)向壓力法)為例對(duì)公路鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1 AISI(環(huán)向壓力法)

環(huán)向壓力法的設(shè)計(jì)原理是在涵洞所能承受的最大承載力基礎(chǔ)上，對(duì)管壁推力進(jìn)行計(jì)算，若管壁推力無法滿足涵洞穩(wěn)定性的要求，可結(jié)合計(jì)算結(jié)果和管壁周圍填土的壓實(shí)度，對(duì)管壁推力進(jìn)行調(diào)整。波形鋼板強(qiáng)度、連接部強(qiáng)度等參數(shù)可利用下述公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)上部荷載和環(huán)向壓力的計(jì)算公式分別為PV=K(DL+LL)、C=PV×S/2。

(2)鋼波紋板強(qiáng)度的校核：PC=C/V

(3)鋼波紋板柔度系數(shù)FF計(jì)算(管應(yīng)具備足夠的剛度來抵抗施工中的吊裝、安裝等受力要求)FF=S2/EI<0.114 mm/N。

3.2 有限元模型建立

(1)計(jì)算假定和建模實(shí)現(xiàn)

主要利用有限元程序ABAQUS對(duì)波紋鋼管涵洞的受力變形情況進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析，具體仿真過程和結(jié)果如下。

①計(jì)算區(qū)域：模型上下左右邊界到波紋鋼管的中心距離約是管道直徑的5倍；沿著管壁的水平方向，截取一段波紋管作為模型構(gòu)建的主要對(duì)象，且波紋管的長(zhǎng)度僅為一個(gè)波長(zhǎng)單位；

②邊界條件：若模型水平風(fēng)向的位移距離為零，可通過增加滾動(dòng)支座的方式，對(duì)模型X方向的位移情況等進(jìn)行約束、控制；若模型下部邊界的豎直方向位移距離為零，可通過增加滾動(dòng)支座的方式，對(duì)模型Y方向的位移情況等進(jìn)行約束和控制；若模型前后部的水平豎直方向位移距離為零，可通過該增加滾動(dòng)支座的方式，對(duì)模型Z方向的位移情況等進(jìn)行約束和限制。

③均質(zhì)材料：研究中為了減少材料對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的影響，將模型建立過程中所使用的波紋鋼管、填土等材料，假設(shè)為性質(zhì)相同、方向不同的材料；

④接觸關(guān)系：從波紋鋼管與土體的相對(duì)滑移、模型數(shù)值的計(jì)算效率及計(jì)算收斂性等角度考慮，為了避免波紋鋼管與其周圍土體之間出現(xiàn)脫空等問題，在研究這二者相互作用的過程中，決定采用Tie進(jìn)行約束模擬。同時(shí)，采用四節(jié)點(diǎn)通用殼單元S4、八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元C3 D8I分別對(duì)波紋鋼管的變形情況、土體單元進(jìn)行模擬。

(2)本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)選取

從土體主要的力學(xué)特性這一方面進(jìn)行考慮，數(shù)值模擬研究中所采用的材料單元模型包括線性彈性、Mohr-Coulomb彈塑性，這兩種模型方式在試驗(yàn)操作便捷性、物理意義的明確等方面均具有十分重要的意義。Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型中所涉及的參數(shù)值如表1所示。

表1 Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型參數(shù)值

4 結(jié) 語

如上所述，隨著鋼波紋管設(shè)計(jì)理念日益革新，使得該類結(jié)構(gòu)逐漸朝著工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、環(huán)保化等方向發(fā)展，在公路涵洞等項(xiàng)目施工中的應(yīng)用，可避免差異性沉降或地基變形等問題的出現(xiàn)，進(jìn)一步保證工程質(zhì)量。主要從AISI(環(huán)向壓力法)、有限元模型建立這兩種設(shè)計(jì)方式入手，對(duì)鋼波紋管涵洞的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析，希望通過全文的論述能為有關(guān)工作人員開展相應(yīng)工作提供參考，以推動(dòng)鋼波紋管設(shè)計(jì)行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

[1] 馮忠居， 烏延玲， 賈彥武，等. 鋼波紋管涵洞受力與變形特性模擬試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)， 2013， 35(1)：187-192.

[2] 李曉勇， 梁養(yǎng)輝， 李祝龍，等. 低路堤荷載作用下鋼波紋管涵切向應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[J].公路工程， 2013， 38(3)：90-94.

[3] 李長(zhǎng)江， 李祝龍， 胡濱，等. 東北季凍區(qū)大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征分析[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化， 2016， 33(3)：45-48.

U442

C

1008-3383(2017)11-0089-02

2017-09-13

李傳亮(1986-)，男，山東梁山人，中級(jí)，研究方向：橋涵設(shè)計(jì)。