李傳亮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

關(guān)于公路鋼波紋管涵洞設計的相關(guān)分析

李傳亮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

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

鋼波紋管涵；設計情況；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，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用優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面。

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

(2)采用圓形設計，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，減少通車后養(yǎng)護成本等。

(3)管涵通常采用標準化設計、工廠化加工、施工工藝簡單，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為先進行鋼波紋管涵準確定位安裝，再在管涵兩側(cè)進行逐層回填砂礫土，采用小型夯實機進行夯實，最后進行管涵兩端八字墻及相關(guān)附屬工程施工。傳統(tǒng)的施工方法導致涵背兩側(cè)不密實，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，先進行整體基礎(chǔ)換填，與相鄰路基同步進行填筑施工，填筑至鋼波紋管涵中部位置高程時，采用經(jīng)過改裝后的挖掘機進行反開挖施工，開挖完成后進行鋼波紋管涵安裝，最后進行涵背兩側(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計分析

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

3.1 AISI(環(huán)向壓力法)

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

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

(2)鋼波紋板強度的校核：PC=C/V

(3)鋼波紋板柔度系數(shù)FF計算(管應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)計算假定和建模實現(xiàn)

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

①計算區(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)建的主要對象，且波紋管的長度僅為一個波長單位；

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

③均質(zhì)材料：研究中為了減少材料對設計結(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滑移、模型數(shù)值的計算效率及計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進行約束模擬。同時，采用四節(jié)點通用殼單元S4、八節(jié)點六面體實體單元C3 D8I分別對波紋鋼管的變形情況、土體單元進行模擬。

(2)本構(gòu)關(guān)系和參數(shù)選取

從土體主要的力學特性這一方面進行考慮，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，隨著鋼波紋管設計理念日益革新，使得該類結(jié)構(gòu)逐漸朝著工廠化、標準化、環(huán)?；确较虬l(fā)展，在公路涵洞等項目施工中的應用，可避免差異性沉降或地基變形等問題的出現(xiàn)，進一步保證工程質(zhì)量。主要從AISI(環(huán)向壓力法)、有限元模型建立這兩種設計方式入手，對鋼波紋管涵洞的設計情況進行分析，希望通過全文的論述能為有關(guān)工作人員開展相應工作提供參考，以推動鋼波紋管設計行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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U442

C

1008-3383(2017)11-0089-02

2017-09-13

李傳亮(1986-)，男，山東梁山人，中級，研究方向：橋涵設計。