張紅宇， 吳文清， 梁養(yǎng)輝， 李祝龍， 胡　濱

(1.江西省南昌公路勘察設計院, 江西 南昌　330006；　2.江西省高速公路投資集團有限責任公司, 江西 南昌　330003；　3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安　710075；　4.中國交通建設股份有限公司, 北京　100000)

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大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征研究及效益分析

張紅宇1， 吳文清2， 梁養(yǎng)輝3， 李祝龍4， 胡濱3

(1.江西省南昌公路勘察設計院, 江西 南昌330006；2.江西省高速公路投資集團有限責任公司, 江西 南昌330003；3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司, 陜西 西安710075；4.中國交通建設股份有限公司, 北京100000)

[摘要]通過對大孔徑鋼波紋管涵洞管內不同角度應力野外現(xiàn)場試驗，結合相關鋼波紋管涵洞知識，從不同方面研究了其力學性能，得出其受力變形特征。通過研究取得以下結論：填土初期(填筑從管底至管頂)，路中波峰、波谷和波側均為壓應力，且分別在管周330°、管頂0°和管周330°出現(xiàn)最大壓應力；填土后期(填筑從管頂至路基頂部)，波峰→波谷→波側為拉應力為主→拉、壓應力平衡→壓應力為主的變化過程。直徑大于3 m鋼波紋管涵洞比同尺寸的混凝土蓋板涵造價要降低10%～20%，工期可節(jié)省30～50 d。通過大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征及效益分析，對其在工程和設計中應用具有重要指導意義。

[關鍵詞]大孔徑； 鋼波紋管涵洞； 現(xiàn)場測試； 受力特征； 效益分析

鋼波紋管涵洞既有管節(jié)薄、質量輕、便于疊置捆扎，存放運輸方便、施工組裝工藝簡單、生產周期和施工期短、使用壽命長等特點，并且在變形較大或易發(fā)生不均勻變形地段具有較強適應性，因此具有非常廣闊的應用前景。

本文以萬宜高速公路A5標樁號CKO+243直徑5 m鋼波紋管涵洞現(xiàn)場試驗為依托。鋼波紋管波高50 mm，波長150 mm，壁厚7.0 mm，采用Q235A熱軋鋼板制成，材料防腐采用表面熱浸鍍鋅，現(xiàn)場安裝前內外涂刷防腐瀝青。填土從管低至路基頂部，高度為12.04 m。

1實驗方案

通過對鋼波紋管涵洞管周不同角度粘貼應變片，測定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的變形特征。

測試部位選取路中線位置管節(jié)波峰、波谷、波側的內壁處，在0°、30°、60°、90°、150°、210°、270°、300°、330°各點沿管節(jié)周向布設應力片，共27個點。

將布置好的應力片上的電線另一端接在靜態(tài)采集儀上，并進行調試，待所有連接無誤后開始進行數(shù)據(jù)采集(見圖1)。

圖1　鋼波紋管涵洞測試斷面應力片布設示意圖Figure 1　The test section of corrugated pipe culvert

2測試工況

分為管周填土測試(填土從管底至管頂)和管頂填土測試(填土從管頂+0.18 m至管頂+7.04 m)，如表1、表2所示。

表1 管周填土測試工況Table1 Filltesttubeworkingconditions工況填筑高度/m工況填筑高度/m1管底+0.8752管底+1.6553管底+2.160填筑材料為碎石;測試為填筑壓實并穩(wěn)定后4管底+2.6905管底+4.730填筑材料為碎石;測試為填筑壓實并穩(wěn)定后

表2 管頂填土測試工況Table2 Filltesttubetopworkingconditions工況填筑高度/m工況填筑高度/m1管頂+0.182管頂+0.683管頂+1.534管頂+2.535管頂+3.386管頂+3.83填筑材料為素土;測試為填土壓實并穩(wěn)定后7管頂+4.688管頂+5.089管頂+5.6810管頂+6.1311管頂+6.5412管頂+7.04填筑材料為素土;測試為填土壓實并穩(wěn)定后

3鋼波紋管測試結果及分析

3.1管內壁應力測試結果及分析

3.1.1管周填土0～5 m應力變化

a. 路中波峰隨填土高度增加切向應力。

從圖2可以看出: 填土過程中，各測點為壓應力。管頂0°～管周210°為減小→增大→減小的交替變化過程，后210°～330°逐漸增大，且在管周330°為最大壓應力。填土高度管底+1.655 m時，各測點應力值相對較大。

圖2　波峰沿管周角度變化切向應力Figure 2　Crest tangential stress angle variation along the tube circumference

b. 路中波谷隨填土高度增加切向應力。

從圖3可以看出： 填土過程中，各測點依然為壓應力。分為3個階段： ①管頂0°～管周150°應力值逐漸減小。②管周150°～270°逐漸增大。③管周270°～330°逐漸減小。管頂0°為最大壓應力，管周150°、330°壓應力值較小，接近0 MPa。

圖3　波谷沿管周角度變化切向應力Figure 3　Trough tangential stress angle variation along the tube circumference

c. 路中波側隨填土高度增加切向應力。

從圖4可以看出: 填土過程中，各測點為壓應力，且曲線均勻變化。管頂0°～管周270°波動變化：0°～90°逐漸增大，90°～270°逐漸減小， 270°～330°又逐漸增大。管周330°為最大壓應力，管中90°出現(xiàn)應力集中。

圖4　波側沿管周角度變化切向應力Figure 4　Wave side tangential stress angle variation along the tube circumference

3.1.2管頂填土0～7.04 m(路基頂)應力變化

a. 路中波峰隨填土高度增加切向應力。

波峰隨填土高度增加切向應力見圖5，可看出：

① 管頂+0.18 m至管頂+7.04 m，管周60°、210°為拉應力，且隨著填土高度的增加逐漸增大，且管周60°>管周210°；管周150°、300°為壓應力，且隨著填土高度增加逐漸增大，管周300°>管周150°。

② 管頂0°、330°最初為壓應力，隨著填土高度增加逐漸減小，后轉為拉應力(約在管頂+2.53 m位置)，并逐漸增大。應力值與填土高度的增長斜率為管周330°>管頂0°。

③ 可以看出，管周不同位置隨填土高度增加受不同應力，整體上管周60°、330°受較大拉應力，管周300°受最大壓應力。

④ 管周30°、90°、270°由于應力片失效未能測出。

圖5　波峰隨填土高度增加切向應力Figure 5　Crest tangential stress with the fill height increase

b. 路中波谷隨填土高度增加切向應力。

波谷隨填土高度增加切向應力見圖6，可看出：

① 填土從管頂+0.18 m到管頂+7.04 m過程，管周60°、300°為拉應力，且隨著填土高度的增加逐漸增大，數(shù)值相近；管周270°、210°、330°為壓應力，隨著填土高度增加逐漸增大，且壓力值管周270°>管周210°>管周330°。

② 管周90°、150°應力值接近于零，說明管側中間部位受力較小。

圖6　波谷隨填土高度增加切向應力Figure 6　Trough tangential stress with the fill height increase

c. 路中波側隨填土高度增加切向應力。

波側隨填土高度增加切向應力見圖7，可看出：

① 管頂0°、管周210°整體上為拉應力，隨著填土增加逐漸增大，在管頂+5.68 m出現(xiàn)應力集中。

② 管周30°、60°、90°、150°、270°、300°及330°整體上為壓應力，隨著填土高度增加逐漸增大，且在管頂+3.38 m、管頂+5.68 m時出現(xiàn)應力集中。

圖7　波側隨填土高度增加切向應力Figure 7　Wave side tangential stress with the fill height 　　　increase

d. 路中波峰、波谷、波側隨填土高度增加切向應力對比分析。

通過對比圖5～圖7可以看出：

① 填土從管頂+0.18 m至管頂+7.04 m過程，波峰→波谷→波側變化為：拉應力為主→拉、壓應力平衡→壓應力為主的變化過程。

② 管周不同位置隨填土高度增加受不同應力，填土初期(小于管頂+1.53 m)各測點為拉(或壓)應力不明顯，填土管頂+2.53 m至路基頂，各測點拉(或壓)應力保持不變并隨著填土高度的增加逐漸增大。

③ 當填土管頂+0.6 m時，波谷、波側出現(xiàn)波動變化，此時波紋管最不穩(wěn)定，為最不利工況。此時波紋管與土體還未形成穩(wěn)定的土拱效應。

e. 路中波峰沿管周角度變化切向應力。

從圖8可以看出： 管頂0°整體受拉，管周60°拉應力逐漸增大，在管周150°又整體受壓，后逐漸減小在管周210°為拉應力，逐漸減小至300°為壓應力，330°分為兩個階段：一部分依然為壓應力并逐漸減小，另一部分轉化為拉應力并迅速增大。管周30°、90°由于應力片失效，部分數(shù)據(jù)未測出。

圖8　波峰沿管周角度變化切向應力Figure 8　Crest tangential stress angle variation along the tube circumference

綜合上述可以看出，

① 管頂0°～管周330°為拉應力→壓應力→拉應力→壓應力→拉應力的交替變化過程。且整體上管周60°為最大拉應力，管周300°為最大壓應力。

② 各個角度應力值隨填土高度增加變化較小，具有較強的一致性。

f.路中波谷沿管周角度變化切向應力。

從圖9可以看出: 管周60°～150°整體上為拉應力，且較為穩(wěn)定，管周210°～330°為壓應力→拉應力→壓應力交替變化的過程。管周300°出現(xiàn)應力集中。

圖9　波谷沿管周角度變化切向應力Figure 9　Trough tangential stress angle variation along the tube circumference

g. 路中波側沿管周角度變化切向應力。

從圖10可以看出： 除管頂0°部分數(shù)值、管周210°為拉應力外，其余角度均為壓應力，且數(shù)值接近。管周210°出現(xiàn)應力集中，施工時應作為重點位置進行觀測。

圖10　波側沿管周角度變化切向應力Fig.10　Wave side tangential stress angle variation along the 　　　tube circumference

h. 路中波峰、波谷、波側沿管周角度變化切向應力對比。

通過對比圖8～圖10可以看出：波峰、波谷、波側最大應力多出現(xiàn)在管周60°、90°、210°、300°、330°位置，都在管周210°出現(xiàn)應力集中。波側除210°突變?yōu)槔瓚ν?，其余角度同一填土高度下壓應力曲線較為平緩，數(shù)值接近。

4效益分析

4.1經(jīng)濟效益分析

江西萬宜高速應用波紋管涵洞與同一標段同尺寸的鋼筋混凝土蓋板涵造價比較結果見表3，可看出：A1標段1-φ4.0，涵長163 m的鋼波紋管涵比1孔4*4的鋼筋混凝土蓋板涵減少35.86萬元，節(jié)省造價11.5%；A2標段1-φ3.0，涵長138 m的鋼波紋管涵比1孔3*3的鋼筋混凝土蓋板涵減少30.36萬元，節(jié)省造價20.2%；1-φ4.0，涵長123 m的鋼波紋管比1孔4*4.5的鋼筋混凝土蓋板涵減少40.59萬元，節(jié)省造價18.2%；A5標段1-φ4.0，涵長98.5 m的鋼波紋管比1孔4*4的鋼筋混凝土蓋板涵減少21.67萬元，減少造價11.5%；1-φ5.0，涵長175.5 m的鋼波紋管比1孔6*5的鋼筋混凝土蓋板涵減少54.41萬元，減少造價11.4%；3個標段共減少182.89萬元，減少造價13.5%。施工工期一處可節(jié)省30～50 d，五處共可節(jié)省150～250 d。

4.2社會效益分析

相比于普通鋼筋混凝土涵洞，鋼波紋管涵洞造價要低于同類型結構。養(yǎng)護時只需定期涂刷瀝青，普通混凝土涵洞一定時期需進行翻修甚至重建，鋼波紋管涵洞相比較于普通混凝土涵洞大大減少了人力、財力的投入，減少了廢舊混凝土涵拆除所產生的建筑垃圾及環(huán)境污染，符合我國經(jīng)濟節(jié)約型、環(huán)境友好型社會理念。鋼波紋管涵的大量應用還可解決鋼結構產能過剩問題，促進鋼結構產業(yè)經(jīng)濟發(fā)展，減少施工環(huán)境污染，減少圬工用量和對石料、黃砂的開采，同時廢棄的鋼波紋管可回收循環(huán)利用，避免了環(huán)境破壞及污染，符合綠色交通發(fā)展理念。

表3 鋼波紋管涵洞與同尺寸鋼筋混凝土蓋板涵對比表Table3 Corrugatedsteelculvertwiththesamesizeofreinforcedconcreteculvertcomparisontable標段類型長度/m單價/萬元總造價/萬元對比類型跨徑/m單價/萬元總造價/萬元增減金額/萬元節(jié)省比例/%A1標1-?4鋼波紋管涵1631.92312.96鋼筋混凝土蓋板涵4*42.14348.82-35.86-11.5A2標1-?3鋼波紋管涵1381.09150.42鋼筋混凝土蓋板涵3*31.31180.78-30.36-20.21-?4鋼波紋管涵1231.81222.63鋼筋混凝土蓋板涵4*4.52.14263.22-40.59-18.2A5標1-?4鋼波紋管涵98.51.92189.12鋼筋混凝土蓋板涵4*42.14210.79-21.67-11.51-?5鋼波紋管涵175.52.72477.36鋼筋混凝土蓋板涵6*53.03531.77-54.41-11.4小計1352.491535.38-182.89-13.5

5結論

① 管周填土0～5 m鋼波紋管由于受兩側碎石擠壓，管頂周圍受力變形最大。

② 管頂填土0～7.04 m(路基頂)，波峰→波谷→波側為拉應力為主→拉、壓應力平衡→壓應力為主的變化過程。

③ 管頂填土0～7.04 m(路基頂)，波峰、波谷、波側都在210°出現(xiàn)應力集中。

④ 直徑大于3 m鋼波紋管涵洞比同尺寸的混凝土蓋板涵造價要降低約10%～20%，工期可節(jié)省30～50 d。

⑤ 目前，國內對大孔徑鋼波紋管涵洞在公路工程中應用還較少，關于大孔徑鋼波紋管涵洞施工過程中受力變形研究更少，本試驗對同類鋼波紋管涵洞設計、施工有一定參考作用。

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Study on the Stress Characteristic and Benefit Analysis of the Large Diameter Steel Corrugated Pipe Culvert

ZHANG Hongyu1， WU Wenqing2， LIANG Yanghui3， LI Zhulong4， HU Bin3

(1.Nanchang Highway Survey and Design Institute of Jiangxi Province, Nanchang, Jiangxi 330006, China; 2.Jiangxi Province Highway Investment Refco Group Ltd, Nanchang, Jiangxi 330003, China;3.CCCC First Highway Consultants Co., LTD,Xi’an, Shaanxi 710075, China; 4.China Communications Construction Company Limited, Beijing 100000, China)

[Abstract]Through the field test of the stress on the steel corrugated pipe culverts from different angles, combine with the relevant knowledge of steel corrugated pipe culverts, and study the mechanical properties of steel corrugated pipe culverts in different aspects, We obtain the force deformation characteristics of steel corrugated pipe culverts. By studying, it can draw these following conclusions: In the initial filling (filling from the bottom of the tube to top), the stress of crests, troughs and wave side are expressed as compressive stress, and the maximum compressive stress respectively appear in Steel Bellows Week 330 °, 0 °and 330 °；In the late filling (filling from the bottom of the tube to top), the stress perform as: crests → troughs → wave side are expressed as tensile stress →balance of tension and compression strain →main compressive stress. The manufacturing cost of steel corrugated pipe culvert, which diameter is more than 3m is reduced by 10%～20% than the same size concrete slab culvert and the time limit can save 30 to 50 days for a project. By studying the application of corrugated steel culvert and deformation characteristics, it is of important guiding significance in engineering and design applications of the large diameter corrugated steel pipe culvert.

[Key words]large aperture; corrugated steel pipe culverts; field test; force characteristics; benefit analysis

[中圖分類號]U 449.83+1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0196—05

[作者簡介]張紅宇(1968—)，女，江西興國人，高級工程師，主要從事道路工程方向。

[收稿日期]2015—01—12