波紋鋼明挖涵洞分塊及選型研究

車青森， 李亞利， 劉思遠， 逯 平

（北京市市政二建設工程有限責任公司，北京 100141）

由于具有綜合造價低、變形能力強、對基礎要求低、運輸方便、施工周期短、安裝方便、工廠化預制、施工速度快、環保等明顯優勢，國內開始使用波紋鋼管涵代替混凝土管涵[1～2]。諸多學者[3～5]對波紋鋼管的力學性能、波紋大小及厚度對結構受力的影響，填土模量對波紋鋼管受力和變形影響，不同填土高度下壁厚對鋼波紋管力學性狀影響等方面進行了大量研究；而對不同形狀波紋鋼明挖涵洞分塊及選型研究較少。因此本文主要對方拱形和圓形明挖涵洞不同波形、厚度、管徑、埋深分別組合進行選型研究并對不同跨徑每環分塊情況進行研究。

1 模型建立

利用ABAQUS 有限元分析軟件進行模擬，采用線彈性本構模型。見表1。

表1 靜力計算本構關系參數

波紋鋼涵洞截面由直線段和圓弧線段擬合而成，整個斷面由波紋高度D、波長P、內徑R、規定壁厚T、正切角度θ和切線長度TL等相關參數確定。見圖1。

圖1 波紋鋼涵洞尺寸

為了研究波形參數對波紋鋼涵洞的受力變形影響，對模型進行相應的簡化。

1）計算區域：橫向選取整環波紋鋼涵洞，縱向取3個波長。

2）邊界條件：為保證計算過程中模型不發生整體轉動及左右滑動，僅在波紋鋼涵洞下部選一條直線完全固定，其他部位不施加任何約束，假定為自由面。見圖2。

圖2 固定支座位置

3）均質材料：模型建立過程中，認為所假定的波紋鋼材料是各向同性的。

4）加載方式：作用在波紋鋼涵洞上下的豎向均布荷載和左右的水平均布荷載。

2 不同型號對波紋鋼管涵洞剛度和強度的影響

不同截面形式波紋鋼涵洞計算工況見表2。

表2 不同截面形式波紋鋼計算工況mm

2.1 不同波形

2.1.1 對涵洞剛度影響分析

在50 kPa 垂直均布荷載及40 kPa 水平均布荷載的作用下，涵洞的波形越大，產生的變形就越小。工況2比工況1變形減小了77%，波形工況3比波形工況2變形減小了13%。見圖3。

圖3 不同波形影響結構位移變化趨勢

隨著波形的增大，波紋鋼涵洞剛度對波形的敏感性逐漸降低且在1 m 管徑條件下，波形＞150 mm×50 mm后，涵洞剛度對波形的敏感性較低。

2.1.2 對涵洞強度影響分析

在50 kPa 垂直均布荷載及40 kPa 水平均布荷載的作用下，涵洞的波形越大，涵洞應力越小。工況2比工況1 應力減小了29%，工況3 比工況2 變形減小了26%。見圖4。

圖4 不同波形影響結構應力變化趨勢

隨著波形的增大，波紋鋼涵洞強度對波形的敏感性逐漸降低，但強度敏感性降低幅度遠低于剛度敏感性。

2.2 不同厚度

不同厚度波紋鋼涵洞計算工況見表3。

表3 不同厚度波紋鋼計算工況mm

2.2.1 對涵洞剛度影響分析

在50 kPa垂直均布荷載及40 kPa水平均布荷載的作用下，涵洞的厚度越大，產生的變形越小。工況2比工況1 變形減小了16%，工況3 比工況2 變形減小了13%。見圖5。

圖5 不同厚度影響結構位移變化趨勢

隨著板厚的增大，波紋鋼涵洞剛度對板厚敏感度逐漸降低。

2.2.2 對涵洞強度影響分析

在50 kPa 垂直均布荷載及40 kPa 水平均布荷載的作用下，涵洞的厚度越大，涵洞應力就越小。工況2比工況1應力減小了25%，工況3比工況2應力減小了19%。見圖6。

圖6 不同板厚影響結構應力變化趨勢

隨著波形的增大，波紋鋼涵洞強度對波形的敏感性逐漸降低，但強度敏感性降低幅度略大于剛度敏感性降低幅度。

3 波紋鋼明挖涵洞選型數值模擬

目前，對波紋鋼涵洞或綜合管廊一般是按照正常使用極限狀態和承載能力極限狀態設計，其中正常使用極限狀態設計采用數值模擬對結構的變形進行驗算，故擬通過數值模擬建立波紋鋼涵洞的選型表，為波紋鋼涵洞的設計提供參考。

對不同波形、厚度、管徑、埋深、截面形式進行組合分析，不考慮圍巖自承能力，埋深通過土壓力公式換算成荷載，土壓力按照靜止土壓力計算。見圖7。

利用ABAQUS 有限元分析軟件，采用荷載-結構模型進行計算。根據波紋鋼涵洞變形與設計值相差≯2%[6]的規定，對數值模擬結果進行分析、驗算，得出了圓形波紋鋼選型見圖8和圖9。

圖8 圓形波紋鋼涵洞選型

圖9 方拱形波紋鋼涵洞選型

4 裝配式波紋鋼涵洞分塊研究

4.1 分塊原則

裝配式結構是在整體結構形狀上進行分塊預制，主要從結構受力狀態、構件質量、拼裝難度、運輸成本等角度進行考慮。從結構受力角度來說，接頭是整個結構的薄弱部位，容易承受比較大的軸力和剪力，但是很難承受較大的彎矩，因此目前主流的分塊方式為在整體襯砌零彎矩（以下稱為“彎矩最小位置”）位置進行分塊，盡可能保持原結構受力狀態，對原結構受力擾動較小。

從現場施工角度來看，在制造和安裝可能的前提下，預制結構應該盡量大一些，可以減少環向接縫的數量和漏水的可能。拼裝構件的縱向長度不應過大或過小，縱向長度過小會增加環向接頭的數量，給接頭防水增加難度；縱向長度過大會增加運輸成本和現場拼裝難度。

4.2 分塊設計

4.2.1 方拱形涵洞

采用Midas GTX NX 有限元軟件對整體涵洞結構進行受力分析，使用經典的荷載-結構模型進行涵洞結構的內力分布計算。波紋鋼結構采用1D 梁單元進行模擬，結構共被劃分為120個單元。

當結構斷面較小，即涵洞跨徑＜2 m 時，結構分為4塊較為合適；當結構斷面較大，即涵洞跨徑＞2 m時，結構分為8塊較為合適。見圖10。

圖10 方拱形涵洞分塊

4.2.2 圓形涵洞

采用Midas GTX NX 有限元軟件對整體涵洞結構進行受力分析，使用經典的荷載-結構模型進行涵洞結構的內力分布計算。波紋鋼結構采用1D 梁單元進行模擬，結構共被劃分為100個單元。

當結構斷面較小即涵洞跨徑＜2 m 時，結構不分塊即采用整環較合適；當結構斷面較大即涵洞跨徑＞2 m時，結構分為4塊較為合適。見圖11。

圖11 圓形涵洞分塊

5 結論

1）涵洞的波形越大，其剛度和強度均越大；但隨著波形的增大，其剛度和強度對波形的敏感性逐漸降低，剛度對波形的敏感性降低幅度較大。

2）涵洞的厚度越大，其剛度和強度均越大；但隨著厚度的增大，其剛度和強度對波形的敏感性逐漸降低，強度對厚度的敏感性降低幅度較大。

3）通過數值模擬的方式，提出了波紋鋼涵洞選型表，為明挖波紋鋼涵洞選型設計應用提供參考。

4）方拱形涵洞在跨徑＜2 m 時，每環宜分為4 塊，在跨徑＞2 m 后，每環宜分為8 塊；圓形涵洞在跨徑＜2 m時，宜采用整環不分塊，在跨徑＞2 m后，每環宜分為4塊。