李勇， 符鋅砂， 李百建

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 廣東 廣州 510641)

1 引言

波紋鋼板綜合管廊是在工廠內(nèi)將波紋鋼板分片制造成型，現(xiàn)場采用拼裝工藝將其拼接為整體的綜合管廊。波紋鋼板綜合管廊相比于傳統(tǒng)的混凝土綜合管廊是一項新應(yīng)用，具有施工便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)勢。波紋鋼作為一種典型的空間薄殼柔性結(jié)構(gòu)，通過土與鋼的相互作用將部分荷載轉(zhuǎn)移到周圍土體上，大大提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是一種較為理想的地下結(jié)構(gòu)。美國、加拿大、韓國等在波紋鋼橋涵結(jié)構(gòu)這一領(lǐng)域開展了大量研究和應(yīng)用，并制定了波紋鋼橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工規(guī)范。中國的波紋鋼板管廊研究起步較晚。目前，中國對波紋鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能試驗研究主要集中在橋涵工程，但對波紋鋼板綜合管廊施工期的力學(xué)性能尚未開展過多的研究。波紋鋼板綜合管廊同橋涵的工作環(huán)境、設(shè)計理念、施工方法不同，橋涵的設(shè)計規(guī)范并不能有效指導(dǎo)波紋鋼板綜合管廊的設(shè)計與施工。此外，波紋鋼板綜合管廊內(nèi)部支架對波紋鋼的支撐作用，使波紋鋼板綜合管廊的受力模式異于波紋鋼橋涵，因此，完全有必要對波紋鋼板綜合管廊施工過程的力學(xué)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。

該文依托實際波紋鋼板管廊工程，通過現(xiàn)場試驗的方法測試截面應(yīng)變，利用等效梁理論計算波紋鋼板截面內(nèi)力，對波紋鋼板綜合管廊的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

2 測試管廊概況

測試波紋鋼板綜合管廊位于中國西北某城市道路的綠化帶內(nèi)，起始樁號K0+000，終點樁號K1+200，總長1 200 m。設(shè)計收納的管線包含：DN300給水管線、DN700輸水管線、110 kV高壓電線、10 kV電力及通訊電纜等。管廊主體采用波高為55 mm、波距為200 mm標(biāo)準(zhǔn)波形的預(yù)制圓形波紋鋼管，鋼板采用Q235A熱浸鍍鋅鋼板，設(shè)計厚度5 mm。該綜合管廊直徑4 m，管頂填土高度3 m，管溝深度7 m，管底初始回填1 m，然后在此基礎(chǔ)上分層回填、分層壓實，壓實度85%～90%，回填土為砂礫。全程共設(shè)5座工作井，集各種管線的接入接出、投料、檢修、逃生、通風(fēng)于一體。管溝槽底的處理根據(jù)土質(zhì)及水文情況，換填砂礫50～80 cm。管廊斷面設(shè)計圖見圖1。管廊內(nèi)支架主要由豎向支撐方鋼支架，管頂、管底的水平支撐橫梁方鋼支架，電力橫向角鋼支架組成，沿管長方向的支架間距分別為0.8、1.6、3.2、0.8 m。內(nèi)支架沿管廊橫斷面的設(shè)計尺寸如圖1所示，鋼支架與波紋鋼內(nèi)壁的連接方式為焊接。

圖1 管廊斷面設(shè)計圖(尺寸單位：mm)

3 試驗方案與原理

采用靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過布設(shè)應(yīng)變片測定施工期波紋鋼板綜合管廊的截面應(yīng)變，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，選取K0+520(管內(nèi)未安裝支架施工填土)、K0+780(管內(nèi)安裝支架施工填土)作為測區(qū)斷面位置，如圖2、3所示。其中K0+780應(yīng)變測試斷面位于豎向支撐方鋼支架之間的中間兩個波長位置。每個測區(qū)斷面內(nèi)共設(shè)置8個應(yīng)變片測試截面，如圖4所示，每個截面選擇中間兩個波形，在波峰、波中和波谷位置共

圖2 測區(qū)斷面位置K0+520(單位：m)

圖3 測區(qū)斷面位置K0+780(單位：m)

圖4 測試斷面應(yīng)變片布置

9個測點黏貼應(yīng)變片，圖4中1、5、9測點為波峰，靠近土體一側(cè)；3、7測點為波谷，靠近管內(nèi)一側(cè)。

為保證應(yīng)變片試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗對每種狀態(tài)下的管廊截面應(yīng)變采取重復(fù)測量的方式，剔除明顯異常的數(shù)據(jù)之后，取其他穩(wěn)定數(shù)據(jù)的平均值，作為各測點最終的應(yīng)變數(shù)據(jù)。每個測試截面有9個測點，其中測點1、5、9應(yīng)變的平均值作為該測試截面波紋鋼板波峰的應(yīng)變值，測點2、4、6、8應(yīng)變的平均值作為該測試截面波紋鋼板波中的應(yīng)變值，測點3、7應(yīng)變的平均值作為該測試截面波紋鋼板波谷的應(yīng)變值。波紋鋼板彈性模量E取2.06×105MPa，單位鋼板長的截面面積為5.826 mm2/mm。

未安裝支架時A、B、C、D截面波峰與波谷應(yīng)力值對比如圖5所示。

圖5 未安裝支架時A、B、C、D截面波峰與波谷應(yīng)力值對比

從圖5可以看出：波紋鋼A、B、C、D截面的波峰與波谷處應(yīng)力值均反號，應(yīng)力分別為兩個極值，波峰與波谷處的應(yīng)力值大小隨填土高度變化趨勢一致，這一點符合梁體受軸力和彎矩共同作用時的受力情況，諸多現(xiàn)場測試和數(shù)值分析結(jié)果也證明了波紋鋼結(jié)構(gòu)波峰和波谷間的應(yīng)力關(guān)系與梁體上、下表面間的應(yīng)力關(guān)系較為接近。因此，可以將波紋鋼板考慮為等效矩形梁，計算截面所受軸力與彎矩。

利用現(xiàn)場測定的應(yīng)變片數(shù)據(jù)計算波紋鋼板截面的軸力和彎矩，將波紋鋼板考慮為等效矩形梁，如圖6所示，b、h分別為等效梁的寬度和高度，應(yīng)力通過波峰、波中、波谷的應(yīng)變換算獲得。

圖6 等效梁示意圖

用測定應(yīng)變換算的應(yīng)力圖大部分不呈直線，顯示出圖7(a)中的形狀。移動應(yīng)力圖表使得波形中間的應(yīng)力值為“零”，將圖7(a)分解成圖7(b)和圖7(c)之和。圖7(b)可利用下列公式計算作用在波峰的軸力T1和作用在波谷的軸力T3。

(1)

(2)

式中：b為等效梁寬度；h為等效梁高度；A為波紋鋼板截面面積。

波紋鋼板的彎矩M：

(3)

另外，圖7(c)可按式(4)計算T2：

T2=σ2bh=σ2A

(4)

波紋鋼板的軸力T：

T=T1+T2+T3

(5)

圖7 作用在鋼板上的軸力與彎矩計算示意圖

4 力學(xué)性能分析

試驗分別監(jiān)測了綜合管廊在未安裝管內(nèi)支架和安裝管內(nèi)支架兩種情況下進(jìn)行回填時，回填初始狀態(tài)(管底回填1 m)，依次回填1、2、3(至管頂)、4 m，5種狀態(tài)下的各測點應(yīng)變。通過與初始狀態(tài)下管廊的應(yīng)變值比較，分析管廊在施工過程中的受力狀態(tài)。將應(yīng)變測試結(jié)果按式(1)～(5)計算波紋鋼板綜合管廊在未安裝內(nèi)支架和安裝內(nèi)支架時的截面軸力T和彎矩M，該文主要對截面軸力T和彎矩M進(jìn)行分析，軸力負(fù)值表示受壓，正值表示受拉；彎矩正值(逆時針)表示管廊內(nèi)側(cè)受拉，負(fù)值(順時針)表示管廊外側(cè)受拉。

4.1 不同填土高度下截面的軸力與彎矩

綜合管廊在未安裝支架情況下回填時，在不同填土高度下，測試斷面不同截面的軸力、彎矩圖如圖8、9所示。

圖8 未安裝支架時不同填土高度下的

圖9 未安裝支架時不同填土高度下的截面

從圖8、9可以看出：未安裝內(nèi)支架時，在不同的填土高度下，波紋鋼板管廊截面既承受壓力也承受拉力，隨著填土高度增加，A、C、D、G截面均受壓，B、E、F、H截面均受拉，A、C、G截面彎矩為正值，內(nèi)側(cè)受拉；B、D、E、F、H截面彎矩為負(fù)值，外側(cè)受拉。

綜合管廊在安裝支架情況下回填時，在不同填土高度下，測試斷面不同截面的軸力與彎矩圖如圖10、11所示。

從圖10、11可以看出：安裝內(nèi)支架時，在不同的施工填土高度下，波紋鋼板管廊截面軸力接近全截面受壓，隨填土高度增加，A、B、H截面彎矩為正值，內(nèi)側(cè)受拉；C、D、E、F、G截面彎矩為負(fù)值，外側(cè)受拉，波紋鋼板管廊截面軸力和彎矩分布基本對稱。

圖10 安裝支架時不同填土高度下的截面

圖11 安裝支架時不同填土高度下的截面

管廊內(nèi)支架的支撐作用減小了管廊的變形，承擔(dān)了部分土壓力，減小了管廊所受的拉力值，使全截面接近受壓狀態(tài)，這對波紋鋼板管廊受力是有利的。安裝內(nèi)支架與未安裝內(nèi)支架的管廊現(xiàn)場測試結(jié)果表明：管底45°截面內(nèi)力增長較快，該位置處管楔部分的填土一般難以填充和壓實，截面受力不均，因此，現(xiàn)場回填時，管底楔形部分的填土壓實應(yīng)引起重視，可采用人工夯實的措施使管楔部分填土充分壓實。

4.2 波紋鋼板綜合管廊截面內(nèi)力分析

綜合管廊在未安裝管內(nèi)支架情況下回填時，在不同填土高度下，不同截面軸力、彎矩的變化規(guī)律如圖12、13所示。

從圖12可以看出：未安裝內(nèi)支架時，隨著填土高度的不斷增加，A、D和C截面處于受壓狀態(tài)，其所受壓力總體上越來越大，但增速減緩，最大壓力值為-94.812 kN/m，出現(xiàn)在拱頂A截面，而B、E截面處于受拉狀態(tài)，且所受拉力越來越小。F截面所受拉力增加迅速，最大拉力值為186.324 kN/m。根據(jù)軸力變化趨勢，除F截面外，隨著管頂填土高度的增加，截面所受拉力值逐漸減小，截面所受壓力值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖12 未安裝支架時不同填土高度下的截面軸力變化圖

圖13 未安裝支架時不同填土高度下的截面彎矩變化圖

從圖13可以看出：未安裝內(nèi)支架時，隨著填土高度的增加，F(xiàn)截面從管內(nèi)側(cè)受拉過渡到管外側(cè)受拉，其彎矩值增長迅速，截面最大負(fù)彎矩值為-3.702 kN·m/m。A與C截面處于管內(nèi)側(cè)受拉，且其所受正彎矩值隨填土增加而增加，但增速減緩，最大正彎矩值為2.525 kN·m/m，出現(xiàn)在拱頂A截面，B、D和E截面處于管外側(cè)受拉，B和E截面的負(fù)彎矩值隨填土高度的增加，有減小的趨勢，D截面的負(fù)彎矩值幾乎隨填土高度線性增加，但增長速度緩慢。除F截面外，管廊截面所受彎矩值隨管頂填土高度的增加趨于穩(wěn)定。因此，波紋鋼板綜合管廊在覆土高度增加的情況下，截面軸力與彎矩總體上趨于穩(wěn)定。

綜合管廊在安裝管內(nèi)支架情況下回填時，在不同填土高度下，不同截面軸力與彎矩的變化規(guī)律如圖14、15所示。

圖14 安裝支架時不同填土高度下的截面軸力變化圖

圖15 安裝支架時不同填土高度下的截面彎矩變化圖

從圖14可以看出：安裝內(nèi)支架時，除A截面外，其余截面所受壓力值總體上隨覆土高度增加而增大，且比未安裝內(nèi)支架情況的壓力值大，截面最大壓力值為-223.829 kN/m，出現(xiàn)在F截面。

從圖15可以看出：安裝內(nèi)支架時，隨著填土高度的增加，A、G、E截面彎矩值變化較小，D、F、H截面彎矩值變化較大，截面最大正彎矩值為2.294 kN·m/m，出現(xiàn)在H截面，最大負(fù)彎矩值為-1.991 kN·m/m，出現(xiàn)在F截面，截面彎矩值增速較慢。

安裝內(nèi)支架的最大內(nèi)力值與未安裝內(nèi)支架的最大內(nèi)力值相比，最大壓力值增加136%，最大正彎矩值減小9%，最大負(fù)彎矩值減小46%，隨著填土高度的增加，安裝內(nèi)支架的截面所受壓力值增長速度總體上要大于未安裝內(nèi)支架的截面所受壓力值增長速度，因此，波紋鋼板綜合管廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)將內(nèi)支架作為一個主要設(shè)計因素考慮，并應(yīng)考慮內(nèi)支架對土-鋼相互作用的影響。

4.3 強(qiáng)度校核

未安裝管內(nèi)支架與安裝管內(nèi)支架回填時，管廊F截面的軸力與彎矩組合作用最大，將彎矩與軸力的內(nèi)力組合值與整個施工過程中管壁截面的塑性彎矩承載力相比較，以驗算施工過程中該截面的強(qiáng)度，驗算公式見式(6)～(8)。

(6)

PPf=φhcAFy

(7)

MPf=φhcMP=φhcWFy

(8)

式中：P、M分別為施工過程中波紋鋼板截面軸力和彎矩值；PPf為設(shè)計抗壓強(qiáng)度(kN/m)；MPf為乘以折減系數(shù)的塑性鉸彎矩承載力；φhc為塑性鉸形成的抗力系數(shù)，取0.9；A為單位鋼板長的截面面積(mm2/mm)；Fy為波紋鋼板的屈服強(qiáng)度(MPa)；W為波紋鋼板的塑性截面模量(mm3/mm)。

將施工過程中F截面的最大內(nèi)力值，φhc=0.9，A=5.826 mm2/mm，F(xiàn)y=235 MPa，W=99.675 mm3/mm代入式(6)～(8)，得到F截面在安裝內(nèi)支架前后的強(qiáng)度校核分別為：

安裝內(nèi)支架后，管廊截面強(qiáng)度校核結(jié)果更安全，這與前面內(nèi)支架有利于波紋鋼板管廊受力的分析結(jié)論一致。因此，隨著填土高度的增加，設(shè)置有內(nèi)支架的波紋鋼板管廊更加安全，但應(yīng)把管頂填土高度作為重要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并考慮內(nèi)支架對土-鋼相互作用的影響。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場測試的方法，研究內(nèi)支架對波紋鋼板綜合管廊力學(xué)性能的影響，通過對比分析，可得出以下結(jié)論：

(1) 未安裝內(nèi)支架時，波紋鋼板管廊截面既承受壓力也承受拉力，截面內(nèi)力隨填土高度增加總體趨于穩(wěn)定，截面最大壓力值為-94.812 kN/m，截面最大正彎矩值為2.525 kN·m/m，截面最大負(fù)彎矩值為-3.702 kN·m/m。

(2) 安裝內(nèi)支架時，波紋鋼板管廊截面幾乎全部承受壓力，截面壓力值隨填土高度增加較快，截面最大壓力值為-223.829 kN/m，截面彎矩值增加較慢，截面最大正彎矩為2.294 kN·m/m，截面最大負(fù)彎矩為-1.991 kN·m/m，截面軸力和彎矩分布基本對稱。

(3) 管廊內(nèi)支架的支撐作用減小了管廊的變形，承擔(dān)了部分土壓力，相比于未安裝內(nèi)支架時，截面最大壓力值增加136%，最大正彎矩值減小9%，最大負(fù)彎矩值減小46%，這對管廊受力是有利的。

(4) 安裝內(nèi)支架與未安裝內(nèi)支架時，管底45°截面內(nèi)力增長較快，這與管底楔形部分的填土壓實不足有關(guān)，因此，應(yīng)注意波紋鋼板綜合管廊管底楔形部分的填土壓實，確保管廊承受均勻的土壓力。

(5) 采用CHBDC加拿大橋梁設(shè)計規(guī)范驗算波紋鋼結(jié)構(gòu)施工過程中的截面強(qiáng)度滿足要求。隨著填土高度的增加，設(shè)置有內(nèi)支架的波紋鋼板管廊更加安全，但應(yīng)把管頂填土高度作為重要設(shè)計參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并考慮內(nèi)支架對土-鋼相互作用的影響。