鋼筋混凝土異型管涵的力學(xué)性能研究＊

張 俊 張謝東

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司2） 呼和浩特 010010）

通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土圓管涵進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，擬建了一種新型的鋼筋混凝土異型管涵結(jié)構(gòu)，并對(duì)該異型管涵進(jìn)行相應(yīng)的靜載試驗(yàn)和有限元分析，檢驗(yàn)其受力性能，并比較其與圓管涵的力學(xué)差異性．

1 靜載試驗(yàn)

1．1 異型管涵構(gòu)造

該異型管涵是對(duì)圓管涵頂部采取改變受力作用面和增大截面面積辦法，對(duì)圓管底部加設(shè)剛性基座而變成的一種新型管涵，這種結(jié)構(gòu)形式能夠很好地?cái)[放和安裝涵管，同時(shí)，其受力更加優(yōu)越，管頂變截面和管底變截面與管涵圓弧段相切［1－5］．

異型管涵配筋見(jiàn)圖1．

圖1 異型管涵橫截面和縱截面圖（單位：cm）

1．2 試驗(yàn)方案及實(shí)施

通過(guò)加載試驗(yàn)，以檢驗(yàn)其應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫和承載能力．由于目前異型管涵沒(méi)有相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和指南，因此參考圓管涵試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行室內(nèi)加載試驗(yàn)，主要參照文獻(xiàn)［6］和《混凝土和鋼筋混凝土排水管（GB／T11836－2009）》中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行試驗(yàn)．

異型管模擬圓管試驗(yàn)方法，采用近似三點(diǎn)法，上部施加一線荷載（截面為1點(diǎn)），下部以異型管底面為承載面（模擬三點(diǎn)試驗(yàn)法中的下2點(diǎn)），也就是通用的三點(diǎn)試驗(yàn)法，通過(guò)液壓千斤頂?shù)姆旨?jí)加載，檢驗(yàn)該鋼筋混凝土異型管涵的材料和結(jié)構(gòu)特性［7－8］．

1．3 試驗(yàn)設(shè)備及布置

本試驗(yàn)環(huán)向應(yīng)變測(cè)試選取異型管涵的管端截面和管中截面2個(gè)控制截面，端部控制截面距離端口50cm，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)按環(huán)內(nèi)壁12等分布設(shè)，外壁相應(yīng)部分與之對(duì)應(yīng)，具體布置見(jiàn)圖2．徑向變形主要監(jiān)測(cè)管涵2個(gè)控制截面的豎向變形和側(cè)向變形．

1．4 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 異型管涵應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

1）異型管涵環(huán)向應(yīng)力分析 鋼筋混凝土異型管涵在逐級(jí)加載下I—I，II—II截面管壁內(nèi)外側(cè)環(huán)向應(yīng)力基本相似，見(jiàn)圖3．由圖可知，管端截面和管中截面在50～250kN荷載作用下結(jié)構(gòu)受力性狀基本一致，且環(huán)向應(yīng)力大小隨荷載增大而增大．由于管涵為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，此處僅分析管涵一半的環(huán)向應(yīng)力分布．管涵內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力：在管頂測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)12處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，然后沿管周方向逐漸減小，在管側(cè)測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)15處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，到管底測(cè)點(diǎn)24和測(cè)點(diǎn)18處又轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力；管涵外壁環(huán)向應(yīng)力：環(huán)向應(yīng)力在管頂附近為壓應(yīng)力，漸變至管側(cè)測(cè)點(diǎn)31和測(cè)點(diǎn)35處出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，沿管底方向逐漸減小．

圖3 異型管涵I—I截面在不同荷載下內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變比較

采用相同條件下對(duì)內(nèi)徑為1．5m的鋼筋混凝土圓管涵進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出異型管涵環(huán)向應(yīng)力分布狀況與圓管涵有所相似但也有不同，主要是管頂、管底和兩側(cè)等受力比較集中的部位，此處僅拿管端截面進(jìn)行比較，如圖4．在同等荷載條件下，圓管涵相應(yīng)部位應(yīng)變明顯比異型管涵的大，且圓管涵承載能力比異型管涵要小，圓管涵在110kN荷載作用下基本已經(jīng)破壞，而異型管涵未開(kāi)裂，從120kN加載至250kN時(shí)，異型管涵有裂縫產(chǎn)生，直至300kN管體基本破壞．對(duì)比可知：管頂內(nèi)壁拉應(yīng)變與管側(cè)外壁最大拉應(yīng)變差不多，但管底內(nèi)壁拉應(yīng)變相對(duì)較小，說(shuō)明該異型管涵通過(guò)對(duì)管底結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果明顯．

圖4 異型管涵與圓管涵應(yīng)變比較

2）異型管涵徑向變形分析 逐級(jí)加載后對(duì)異型管涵徑向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，位移變化見(jiàn)圖5，其中左右兩側(cè)分別讀數(shù)，豎直方向?yàn)檎麄€(gè)管徑方向的變形．可以看出隨荷載不斷增大，管涵結(jié)構(gòu)變形也在逐漸增大，豎向直徑減小，橫向直徑增大，豎向變形與橫向變形數(shù)值基本相當(dāng)，且加載初期0～60kN過(guò)程中，位移增幅明顯，隨后略趨于緩和直至破壞．

圖5 異型管涵徑向變形

3）異型管涵裂縫分析 鋼筋混凝土異型管涵的裂縫發(fā)展形勢(shì)和分布狀況與圓管涵基本相似，管頂部位內(nèi)壁和管兩側(cè)外壁部位會(huì)產(chǎn)生裂縫，但異型管涵管底部位基本沒(méi)有裂縫產(chǎn)生．試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)加載到220kN時(shí)，異型管涵管體沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂縫，而后卸載至120kN，再次加壓至260 kN過(guò)程中產(chǎn)生裂縫，加載值為260kN時(shí)，管涵外壁出現(xiàn)寬度在0．20～0．30mm之間的貫穿裂縫，加載直至300kN時(shí)管體基本破壞．

2 異型管涵有限元分析

2．1 單元的選取

采用ANSYS建立有限元實(shí)體模型．其中鋼筋混凝土管體采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID－65模擬，地基土和回填土均采用SOLID－45單元來(lái)模擬，通過(guò)設(shè)置材料的粘聚力和內(nèi)摩擦角來(lái)反映土體性質(zhì)．

2．2 計(jì)算參數(shù)的選取

根據(jù)相關(guān)資料和實(shí)際情況，計(jì)算模型中材料參數(shù)的取值見(jiàn)表1．

表1 材料計(jì)算參數(shù)

2．3 邊界條件

在模型中，管涵兩側(cè)土體取10m，下方地基土取3m，為了能夠與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，管頂上方的回填土按施工填土高度分別為0，0．400，1．200，1．500，2．000，2．500，3．000，3．400，4．800，6．000，7．200，8．256m 共12級(jí)．為了模擬土體自然沉降和橫向變形，在管涵土體底部設(shè)置Y方向固定約束，左右兩側(cè)考慮到土體較長(zhǎng)也設(shè)置為X方向約束．縱向方向上對(duì)土體設(shè)置縱向約束，對(duì)管涵不設(shè)置約束，僅考慮管體與土體之間的相互作用，目標(biāo)面采用Target170單元來(lái)模擬，接觸面采用Conta174單元來(lái)模擬，給目標(biāo)單元和接觸單元指定相同的實(shí)常數(shù)號(hào)，使二者形成一個(gè)“接觸對(duì)”，這樣就能良好的模擬接觸問(wèn)題．

2．4 模型的建立

按照設(shè)計(jì)異型管涵的結(jié)構(gòu)尺寸建立有限元實(shí)體模型，見(jiàn)圖6，網(wǎng)格劃分后共生成2 980個(gè)單元．為了分析填土與異型管涵的相互作用，同時(shí)建立土體與異型管涵的實(shí)體模型，見(jiàn)圖7．

圖6 異型管實(shí)體模型

圖7 異型管與土體的實(shí)體模型

上埋式鋼筋混凝土異型管涵的靜荷載可分為垂直壓力、側(cè)向壓力和結(jié)構(gòu)自重3種，通過(guò)在不同填土高度下的異型管涵模型，并且結(jié)合圓管涵內(nèi)力情況對(duì)鋼筋混凝土異型管涵進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)力分析．

2．5 內(nèi)力分析結(jié)果

在不同填土高度下，異型管涵受力彎矩如圖8，圓管涵彎矩圖如圖9．

圖8 異型管涵彎矩圖

圖9 圓管涵彎矩圖

圖10 異型管涵彎矩

圖11 圓管涵彎矩

由圖8～圖11可見(jiàn)，不管是圓管涵還是異型管涵，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力均隨填土高度呈線性增長(zhǎng)，異型管涵的內(nèi)力分布與圓管涵有所不同．通過(guò)對(duì)異型管涵和圓管涵彎矩相對(duì)比，在相同填土高度下相同位置，圓管涵彎矩值都大于異型管涵彎矩值，特別是在管頂位置，圓管涵所受彎矩遠(yuǎn)大于異型管涵．通過(guò)對(duì)圓管涵的病害分析可知，在圓管涵內(nèi)壁頂部和外壁側(cè)面易產(chǎn)生裂縫，這與其受力特性是相符的，但是異型管涵在管頂位置處的彎矩值遠(yuǎn)小于圓管涵的，說(shuō)明異型管涵相比與管涵能夠承受更大的荷載．

按照室內(nèi)工程試驗(yàn)的加載方法，在有限元模型中對(duì)鋼筋混凝土異型管－圓管實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)加載，加載值為50，100，150，200，250kN，加載后結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與圖12相似．異型管涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的部位主要是在異型管涵頂部?jī)?nèi)外壁及其附近區(qū)域、管兩側(cè)內(nèi)外壁和管底內(nèi)外壁位置，有限元模型計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相似．

圖12 50kN荷載下異型管、圓管應(yīng)力分布圖

分析可知圓管涵受力最不利位置在管頂、管側(cè)和管底部位，在這幾個(gè)部位與異型管涵相對(duì)比，考慮到混凝土材料特性，僅對(duì)管頂和管底內(nèi)壁、管側(cè)外壁進(jìn)行對(duì)比分析其結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的差別．

異型管涵與圓管涵管頂內(nèi)壁位置應(yīng)力值比較見(jiàn)圖13，異型管涵與圓管涵最大拉應(yīng)力值隨荷載值的增大呈線性增長(zhǎng)，但是圓管涵增長(zhǎng)幅度較大．異型管涵正頂部拉應(yīng)力與最大拉應(yīng)力基本相當(dāng)，在相同荷載情況下，圓管涵應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于異型管涵．在荷載值加載到100kN時(shí)，圓管涵拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到3．21MPa，已經(jīng)超過(guò)其抗拉強(qiáng)度極限，隨著荷載值的增大，圓管涵該部位已經(jīng)發(fā)生破壞，在實(shí)際過(guò)程中不會(huì)承載如此大的荷載．但是異型管涵在荷載達(dá)到250kN時(shí)，最大拉應(yīng)力為2．75 MPa，雖然也已經(jīng)到達(dá)混凝土抗拉強(qiáng)度極限，但是充分說(shuō)明異型管涵承載能力要比圓管涵提高幾倍．

圖13 異型管涵與圓管涵頂部?jī)?nèi)壁應(yīng)力值

異型管涵與圓管涵管側(cè)外壁位置應(yīng)力值比較見(jiàn)圖14，異型管涵與圓管涵最大拉應(yīng)力值隨荷載值的增大呈線性增長(zhǎng)，但是圓管涵增長(zhǎng)幅度較大．異型管涵正頂部拉應(yīng)力與最大拉應(yīng)力基本相當(dāng)，在相同荷載情況下，圓管涵應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于異型管涵．

圖14 異型管涵與圓管涵側(cè)外壁應(yīng)力值

異型管涵與圓管涵管底內(nèi)壁位置應(yīng)力值比較如圖15，異型管涵與圓管涵最大拉應(yīng)力值隨荷載值的增大呈線性增長(zhǎng)，但是圓管涵增長(zhǎng)幅度較大．異型管涵正頂部拉應(yīng)力與最大拉應(yīng)力基本相當(dāng)，在相同荷載情況下，圓管涵應(yīng)力值要遠(yuǎn)大于異型管涵．

圖15 異型管涵與圓管涵管底內(nèi)壁應(yīng)力值

3 異型管涵變形

通過(guò)工程試驗(yàn)可知，圓管涵在受到管頂荷載時(shí)的變形特點(diǎn)是管頂向下變形，管底向上變形，兩側(cè)向外變形，也就是豎向內(nèi)徑變小，水平向內(nèi)徑變大，異型管涵的變形情況也大致一樣，但是異型管涵底部變形量較小，見(jiàn)圖16．

圖16 荷載下異型管變形

4 結(jié) 論

1）異型管涵內(nèi)外壁應(yīng)力相反，內(nèi)壁為拉應(yīng)力時(shí)，相對(duì)應(yīng)外壁表現(xiàn)為壓應(yīng)力．

2）管頂外壁和管側(cè)內(nèi)壁部位均屬于受壓區(qū)，管頂、管底內(nèi)壁和管側(cè)外壁部位屬于受拉區(qū)，內(nèi)壁應(yīng)力與其對(duì)應(yīng)外壁應(yīng)力相反，但也略有差異．在荷載作用下，異型管涵管頂向下變形，管底向上變形，兩側(cè)向外變形，也就是豎向內(nèi)徑變小，水平向內(nèi)徑變大．

3）通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土圓管涵和鋼筋混凝土異型管涵各方面的對(duì)比，異型管涵承載能力遠(yuǎn)大于圓管涵，證明了該型管涵的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性和合理性．

［1］謝永利，劉保健，楊曉華，等．公路涵洞工程［M］．北京：人民交通出版社，2009．

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