公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：由于目前還沒(méi)有針對(duì)性的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法來(lái)指導(dǎo)鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)，同時(shí)由于鋼材的易腐蝕性，耐久性設(shè)計(jì)也是鋼波紋管涵的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，文章結(jié)合南寧至北海公路改擴(kuò)建工程應(yīng)用實(shí)例，研究了鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和耐久性設(shè)計(jì)，為公路鋼波紋管涵洞的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：CHBDC法；耐久性設(shè)計(jì)；HDPE防腐；鋼波紋管涵洞

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.02

0 引言

涵洞是埋置于路基內(nèi)以迅速排除公路沿線(xiàn)地表水的人工構(gòu)造物，是公路排水系統(tǒng)的重要組成部分，能達(dá)到確保路基安全的目的。目前，公路建設(shè)中多采用鋼筋混凝土涵洞、圬工涵洞和磚涵，傳統(tǒng)涵洞在大多數(shù)情況下滿(mǎn)足了公路基本使用性能，但其結(jié)構(gòu)存在對(duì)地基條件要求高、施工周期長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)易開(kāi)裂、涵底不均勻沉降造成路面塌陷等不足之處。

近年來(lái)，隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，鋼波紋管涵洞替代傳統(tǒng)涵洞越來(lái)越多地被推廣應(yīng)用在公路建設(shè)中。鋼波紋管涵洞對(duì)地基承載力要求相對(duì)較低，且利用自身結(jié)構(gòu)的柔性解決了傳統(tǒng)涵洞剛度大、不能適應(yīng)基礎(chǔ)變形帶來(lái)的問(wèn)題，高效發(fā)揮了鋼材的抗彎拉性能。鋼材的材料特性和波紋化處理能夠充分消除不均勻沉降所產(chǎn)生的橫向位移應(yīng)力，具有較強(qiáng)的抵抗變形和沉降的特性。對(duì)鋼波紋涵洞在回填前做好結(jié)構(gòu)表面的防腐設(shè)計(jì)，提高其抗沖刷能力和耐久性能，是其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為提出合適的公路鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)，本文依托南寧至北海公路改擴(kuò)建工程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比和分析，探究鋼波紋管涵洞復(fù)合型防腐工藝，旨在為新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完善形成。

1 鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

鋼波紋管涵洞采取管軸向的鋼板波紋化處理，形狀為圓弧形波紋鋼板分塊拼裝，形成圓形管狀的閉合截面。作為一種典型的空間薄殼柔性結(jié)構(gòu)，波紋管涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于“環(huán)向壓力理論”的波形鋼板構(gòu)件來(lái)進(jìn)行計(jì)算的。國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的研究起步較晚，目前還沒(méi)有針對(duì)性的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)公式，主要以有限元模型和國(guó)外設(shè)計(jì)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

1.1 國(guó)內(nèi)外常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

鋼波紋管涵洞作為一種新型的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依［1］，相應(yīng)的尺寸規(guī)格、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)僅在《公路涵洞通道用波紋鋼管（板）》（JT/T 791-2010）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《波紋鋼管（板）》）和《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65 04-2007）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《細(xì)則》）中有所提及，但沒(méi)有針對(duì)鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。

對(duì)于孔徑＜8 m的鋼波紋管涵洞，國(guó)外已有成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，且已編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。國(guó)外常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法包括《美國(guó)AASHTO LRFD》（簡(jiǎn)稱(chēng)AASHTO法）、《美國(guó)American Iron and Steel Institute》（簡(jiǎn)稱(chēng)AISI法）和《加拿大Canadian Highway Bridge Design Code》（簡(jiǎn)稱(chēng)CHBDC法）。

1.2 鋼波紋管涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)比

在實(shí)際項(xiàng)目中，為了充分發(fā)揮鋼波紋管涵的優(yōu)勢(shì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法除了參考傳統(tǒng)公路涵洞的設(shè)計(jì)方法，通常還借鑒了國(guó)外規(guī)范。為使結(jié)構(gòu)安全性能滿(mǎn)足要求，對(duì)上述規(guī)范中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中荷載計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比分析（見(jiàn)下頁(yè)表1）。

從上述設(shè)計(jì)方法可以看出，在CHBDC方法的恒載壓力計(jì)算公式中，使用土拱系數(shù)（見(jiàn)下頁(yè)圖1）這一概念，充分考慮了填土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全。而《細(xì)則》和另外兩個(gè)國(guó)外規(guī)范直接采用土體重量，根據(jù)以往工程的實(shí)測(cè)結(jié)果，γH值與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)相差較大，理論值較實(shí)際值偏大，容易造成鋼材的浪費(fèi)。

在計(jì)算活載壓力時(shí)，根據(jù)項(xiàng)目所處位置車(chē)輛荷載情況，包括軸載、不同車(chē)型組成情況、車(chē)道橫向折減系數(shù)、車(chē)輪與地面接觸面等，選擇相應(yīng)的活載計(jì)算方法。除此之外，只有CHBDC方法考慮了地震加速度的地震荷載，其他規(guī)范均沒(méi)有考慮，在高地震烈度區(qū)，CHBDC方法更加適用。

1.3 CHBDC方法的應(yīng)用原理及其結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容

通過(guò)上述比較，CHBDC方法在恒載計(jì)算上較其他方法更符合工程實(shí)際，活載計(jì)算和其他國(guó)內(nèi)外規(guī)范一樣都考慮了車(chē)輛荷載擴(kuò)散角度值，因此本文將按照CHBDC方法進(jìn)一步研究其設(shè)計(jì)原理和計(jì)算內(nèi)容。

CHBDC方法是基于極限狀態(tài)理論的一種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，該方法將涵頂?shù)暮爿d和活載等效為鋼波紋管的推力，利用環(huán)向壓力理論對(duì)鋼波紋管涵洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的主要內(nèi)容包括以下幾點(diǎn)：

（1）最小覆土高度限值。CHBDC方法規(guī)定了最小覆蓋填土高度的值為[SX（]Dh[]6[SX）][JB（（][SX（]Dh[]Dv[SX）][JB））]0.5、0.4[JB（（][SX（]Dh[]Dv[SX）][JB））]2、0.6 m 三者的最大值，其余規(guī)范的結(jié)構(gòu)內(nèi)力只計(jì)算軸向壓力，而覆土高度限制值可確保荷載引起的彎矩被控制在安全設(shè)計(jì)范圍，避免了波紋管管頂覆土的拉裂破壞和剪切滑移破壞［2］。

（2）恒載產(chǎn)生的壓力。涵洞頂?shù)奶钔梁奢d產(chǎn)生的恒載標(biāo)準(zhǔn)值為T(mén)D=0.5（1.0-0.1Cs）AfW，計(jì)算恒載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)采用土拱系數(shù)Af，將填土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用計(jì)入公式。

（3）活載產(chǎn)生的壓力。涵洞頂?shù)幕詈奢d（主要為汽車(chē)）產(chǎn)生的活載標(biāo)準(zhǔn)值為T(mén)L=min{0.5Dhσlmf，0.5ltσlmf}。目前，國(guó)內(nèi)外規(guī)范都是采用車(chē)輛荷載通過(guò)路面層與路基擴(kuò)散到結(jié)構(gòu)頂部得到作用在結(jié)構(gòu)上的活載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法。

（4）總荷載產(chǎn)生的壓力。

按考慮地震荷載和不考慮地震荷載的影響分為兩種類(lèi)型，地震荷載影響的壓力公式如下：

2 鋼波紋管涵洞的耐久性設(shè)計(jì)

鋼波紋管涵洞用鋼板壓制成波紋的形狀，通過(guò)拼裝和螺栓連接成管涵結(jié)構(gòu)，代替了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管體或支承結(jié)構(gòu)體。由于鋼材易腐蝕性和波紋特殊形狀，在設(shè)計(jì)中除了考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足規(guī)范要求外，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，提高碳素結(jié)構(gòu)鋼的抗腐蝕性。

耐久性設(shè)計(jì)對(duì)鋼波紋管涵洞的建設(shè)使用至關(guān)重要，影響到管涵的使用壽命，以及全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性。目前，我國(guó)鋼波紋管涵洞的耐久性設(shè)計(jì)大多數(shù)只是對(duì)鋼波紋板用熱浸鍍鋅防腐處理（只有《波紋鋼管（板）》6.3.1提及），并沒(méi)有根據(jù)不同區(qū)域采用針對(duì)性的防腐方案。實(shí)際上，鋼波紋管涵洞的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)勘察調(diào)查后，提取耐久性設(shè)計(jì)計(jì)算的參數(shù)，并結(jié)合管涵使用壽命計(jì)算結(jié)果和防腐設(shè)計(jì)方法進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)，這樣的方法更符合工程實(shí)際。

2.1 涵位現(xiàn)場(chǎng)勘查資料調(diào)查

根據(jù)涵位所處位置的勘察資料，包括水質(zhì)和土壤的研究分析報(bào)告、水文計(jì)算、水流流速及水質(zhì)含砂情況，提取土壤和水的電阻率、pH值、土壤含水量，水質(zhì)含泥沙的參數(shù)，通過(guò)防腐設(shè)計(jì)方案和金屬涵管壽命綜合進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。

2.2 鋼波紋管涵洞防腐設(shè)計(jì)

鋼波紋管涵洞的外側(cè)被路基填料填充，內(nèi)側(cè)與水、空氣直接接觸，且受到水流沖刷的影響，土壤、水和管壁金屬發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對(duì)管壁涂層造成腐蝕性破壞，環(huán)境電阻率、pH值、土壤含水量是影響管壁腐蝕速度的主要因素，水自身的硬度及水流沖刷攜帶的顆粒物對(duì)管道的磨蝕也是重要因素之一。

鋼波紋管涵洞耐久性、防腐蝕設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有：金屬涂層、非金屬涂層、內(nèi)襯設(shè)置。通常情況下，中等腐蝕和弱腐蝕條件下，采用金屬涂層工藝；強(qiáng)腐蝕條件下，在金屬涂層基礎(chǔ)上增加非金屬涂層作為結(jié)構(gòu)防腐補(bǔ)充措施，非金屬涂層采用水泥砂漿或混凝土保護(hù)層、瀝青材料涂層、聚合物涂層等；內(nèi)襯設(shè)置是為了減少顆粒物對(duì)管壁的磨蝕，常用的內(nèi)襯材料有混凝土、瀝青和塑料等。

2.3 鋼波紋管涵洞使用壽命計(jì)算

國(guó)外對(duì)金屬鋼波紋管涵洞在極限狀態(tài)下的耐久性設(shè)計(jì)主要是從管涵的使用壽命來(lái)考慮的，目前主要依據(jù)美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)AISI發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1.6 mm鍍鋅鋼板預(yù)期的使用壽命的公式為：

按照鍍鋅鋼板平均使用壽命的計(jì)算公式，繪制出環(huán)境pH值、土壤電阻率和鋼波紋管涵洞平均使用壽命之間的關(guān)系圖（圖2），用來(lái)判定結(jié)構(gòu)大致的使用壽命和失效時(shí)間，該數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)涵壁防腐維修、養(yǎng)護(hù)。具體的計(jì)算方法是：（1）根據(jù)涵位資料得到土壤電阻率大小R，在橫坐標(biāo)找到R值作垂線(xiàn)，與確定的環(huán)境pH線(xiàn)相交；相交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎坐標(biāo)數(shù)值即為涵洞外壁接觸土壤的使用壽命；（2）如果要計(jì)算水流側(cè)的管涵壽命，將水與土壤的電阻率進(jìn)行替換，再采用前文圖表和公式計(jì)算；（3）不同壁厚的涵管，如要采用公式和圖表，需要乘以相應(yīng)的換算系數(shù)，即可得到對(duì)應(yīng)的使用壽命（表2）。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程背景

南寧至北海公路（南間至黎合江段）改擴(kuò)建工程是二級(jí)公路提級(jí)改造項(xiàng)目，項(xiàng)目過(guò)村鎮(zhèn)路段多，建設(shè)周期長(zhǎng)、施工交通組織難度大。項(xiàng)目建設(shè)中，部分拆除重建的涵洞在基坑開(kāi)挖后，存在地質(zhì)情況較差的情況。為解決涵洞施工中發(fā)現(xiàn)的上述問(wèn)題，充分發(fā)揮鋼波紋管結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力，將鋼筋混凝土涵洞變更為鋼波紋管涵洞。項(xiàng)目K8+670段涵洞基坑開(kāi)挖完成后，淤泥較深，清淤換填的工程量較大。綜合考慮地質(zhì)的復(fù)雜程度、施工組織、工期要求等因素，將原蓋板涵變更為直徑2×4.5 m的鋼波紋管涵洞。

3.2 鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

鋼波紋管涵洞跨徑布置為2×4.5 m，最大填土高度取4.8 m（實(shí)際4.06 m），鋼板厚度為6 mm，波形為200 mm×55 mm，波紋鋼板材質(zhì)采用Q235，A=7.11 mm2/mm，I=2 771.36 mm4/mm。其主要參數(shù)如表3所示。

采用CHBDC法極限狀態(tài)設(shè)計(jì)理論對(duì)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)CHBDC規(guī)范7.6.4.1條的規(guī)定：

3.2.1 最小覆土高度

3.2.2 荷載組合

根據(jù)CHBDC規(guī)范7.6.3.1.1條規(guī)定，荷載組合：Tf=αDTD+αLTL（1+DLA）=467.44 kN/m

其中行車(chē)動(dòng)荷載影響系數(shù)DLA=0.1。

3.2.3 抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

3.2.4 結(jié)果分析

上述計(jì)算結(jié)果表明，K8+670段鋼波紋管涵洞實(shí)際的填土高度大于規(guī)范要求的最小覆土高度，管涵管壁強(qiáng)度滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的要求。K8+670段鋼波紋管涵洞采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式，加快了施工進(jìn)度，減小對(duì)現(xiàn)狀交通的影響。

3.3 鋼波紋管涵洞使用壽命與防腐設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目處于沿海地區(qū)，根據(jù)勘查報(bào)告、水質(zhì)分析報(bào)告，涵位處屬于中、強(qiáng)腐蝕地區(qū)，參考國(guó)內(nèi)先進(jìn)金屬管防腐方法，防腐設(shè)計(jì)采用了HDPE熱鍍鋅碳鋼復(fù)合波紋管防腐技術(shù)。具體的工藝為：在碳鋼上雙面熱鍍鋅后又熱壓塑料膜。其中，碳鋼材質(zhì)為Q235或Q345，碳鋼表面雙面熱鍍鋅（鍍鋅量為每面600 g/m2），表面熱壓高密度聚乙烯（HDPE）土工膜，在HDPE土工膜與鍍鋅層之間熱壓一層改性HDPE膠膜。這種防腐技術(shù)與傳統(tǒng)的熱鍍鋅碳鋼波紋管相比，具有更好的耐磨性。

經(jīng)過(guò)AISI圖表計(jì)算法、疊加法以及相關(guān)試驗(yàn)的分析比較，HDPE熱鍍鋅碳鋼復(fù)合波紋管綜合防腐蝕壽命可＞100年，而單獨(dú)的HDPE膠膜在土壤中的使用壽命按公式計(jì)算為66年，單獨(dú)熱鍍鋅碳鋼復(fù)合波紋管（板）的防腐壽命為67年。因此，該項(xiàng)目碳鋼復(fù)合波紋管較傳統(tǒng)的熱鍍鋅碳鋼波紋管可延長(zhǎng)防腐蝕壽命＞30年。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼波紋管涵洞具有較為廣闊的推廣應(yīng)用前景，在整體穩(wěn)定性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面有很大的優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)工程實(shí)例，研究分析了公路鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和耐久性設(shè)計(jì)，主要得出以下結(jié)論：

（1）在鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中，CHBDC法更符合項(xiàng)目實(shí)際情況，充分考慮了管涵與回填材料之間的相互關(guān)系，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精度，確保鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)的安全性［3］。

（2）耐久性設(shè)計(jì)對(duì)鋼波紋管涵洞的建設(shè)使用至關(guān)重要，直接影響管涵的使用壽命、全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性和建成后的維修養(yǎng)護(hù)。在借鑒國(guó)外先進(jìn)成果的同時(shí)，應(yīng)加快對(duì)鋼波紋管涵洞的試驗(yàn)研究，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完善形成。

（3）本文提出了公路鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法和耐久性設(shè)計(jì)，提高了鋼波紋管涵洞的防腐蝕壽命，可供同類(lèi)型的工程項(xiàng)目參考。

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收稿日期：2024-03-21

作者簡(jiǎn)介：黃榮豐（1994—），助理工程師，主要從事公路橋涵設(shè)計(jì)研究工作。