公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

（廣西壯族自治區(qū)柳州城區(qū)公路管理局廣西柳州545005）

摘 要：鋼波紋管因?yàn)槿嵝院?、適應(yīng)力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于公路涵洞中。本文主要分析了路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)的必要性及設(shè)計(jì)要求，并概述了鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：公路；鋼波紋管；涵洞；設(shè)計(jì)

隨著我國建筑業(yè)和鋼材工業(yè)的不斷發(fā)展，空間鋼結(jié)構(gòu)在我們的建筑中應(yīng)用的越來越多?？臻g結(jié)構(gòu)就是結(jié)構(gòu)呈三維狀態(tài)，在荷載力的影響下具有三維受力特性，并且會呈空間工作?？臻g結(jié)構(gòu)被人們所廣泛使用的典例有網(wǎng)殼、平板網(wǎng)架以及懸索結(jié)構(gòu)等。而鋼波紋管材料就是空間結(jié)構(gòu)中的一種典例，這種材料因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)越性，被廣泛用在了公路涵洞中。

一、公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)的必要性及設(shè)計(jì)要求

（一）公路鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)的必要性

公路涵洞往往容易發(fā)生不均勻沉降的問題，而使用鋼波紋管做涵洞就會具有很強(qiáng)的柔性和強(qiáng)度，即便是在地基與基礎(chǔ)發(fā)生劇烈變形后，也會因其本身超強(qiáng)的適應(yīng)力而使得涵洞免受破壞；并且鋼波紋管涵洞因?yàn)檩S向波紋的關(guān)系，具有很強(qiáng)的受力優(yōu)勢，軸向和徑向同時(shí)分布著荷載應(yīng)力應(yīng)變，能有效分散荷載的效應(yīng)。鋼波紋管涵洞還被廣泛應(yīng)用于凍上、軟土、膨脹土、濕陷性黃土等特殊巖土地區(qū)，因?yàn)樗苡行Ы鉀Q地基變化對涵洞的破壞，同時(shí)能降低路面因地基沉降造成的應(yīng)力集中。因此，鋼波紋管涵洞在上述地區(qū)更具優(yōu)越性。又因涵管為柔性結(jié)構(gòu)，對于改善軟上地基結(jié)構(gòu)物與路堤交界處的“錯(cuò)臺現(xiàn)象”非常有效，能提高行車的舒適度與安全性。

（二）設(shè)計(jì)要求

首先，設(shè)計(jì)一定要確保能承受各級洪水及流冰、泥石流、漂流物等的沖擊，而屹立不倒，并應(yīng)將洪水對上下游的沖刷影響考慮在內(nèi)，確保橋涵附近路堤的穩(wěn)定。

其次，還應(yīng)考慮上下游已建或擬建橋涵和水工建筑物的狀況及其對河床演變的影響。

再次，一定要結(jié)合河床地形進(jìn)行設(shè)計(jì)，不宜過分壓縮河道、改變水流的天然狀態(tài)。

還有，涵洞的孔徑的大小要結(jié)合洪水流量、河床地質(zhì)、河床和錐坡加固形式等條件確定。當(dāng)涵洞的上游條件許可積水時(shí)，依暴雨徑流計(jì)算的流量可考慮減少，但減少的流量不宜大于總流量的1／4。

再有，涵洞宜設(shè)計(jì)為無壓力式的。無壓力式涵洞內(nèi)頂點(diǎn)至洞內(nèi)設(shè)計(jì)洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)水位的凈高應(yīng)符合的規(guī)定。

最后，計(jì)算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時(shí)，車輪按其著地面積的邊緣向下300角分布。當(dāng)幾個(gè)車輪的壓力擴(kuò)散線相重疊時(shí)。擴(kuò)散面積以最外邊的擴(kuò)散線為準(zhǔn)。

二、鋼波紋管涵洞設(shè)計(jì)方法

（一）反開槽施工對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

從施工荷載方面分析，管單側(cè)填土對內(nèi)力的影響較小，管頂填土0.3m時(shí)出現(xiàn)事故荷載效應(yīng)集中的現(xiàn)象，但常規(guī)施工機(jī)械和車輛并不會導(dǎo)致涵管達(dá)到強(qiáng)度極限，所以管徑不大時(shí)施工荷載并不影響設(shè)計(jì)。

實(shí)際上路堤法施工和反開槽施工過程中涵管受力邊界條件相差較大?？梢酝ㄟ^試驗(yàn)和力學(xué)模擬計(jì)算，得出了反開槽施工法鋼波紋管涌洞的最大有效應(yīng)力及其位置，以及最大有效應(yīng)力與荷載、壁厚等的相關(guān)關(guān)系。這樣，就完全可以利用回歸的公式等方法計(jì)算校核各種場合下的最大有效應(yīng)力以控制反開槽施工法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。理論上，柔性基礎(chǔ)(換填砂礫等)時(shí)，反開槽施工后填土和汽車荷載作用引起的涵管內(nèi)力比路堤法要大，所以采用反開槽施工對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法更保守。

反開槽施工對應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用三種方法：

方法一：直接模擬現(xiàn)場物理參數(shù)和力學(xué)邊界條件，采用有限元法進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)算控制點(diǎn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度，這樣雖然繁瑣但更具體，有針對性，且適合于任意波形；

方法二：針對基礎(chǔ)條件和填土及汽車荷載，對不同管徑、不同壁厚的最大有效應(yīng)力和撓度采用回歸公式，驗(yàn)算控制點(diǎn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移，這樣方便但不具針對性，實(shí)際邊界條件(如路堤法施工)和力學(xué)參數(shù)可能與本文分析結(jié)果相差較大。

方法三：利用下文的推薦壁厚，估算滿足不同管徑、管頂不同填土高度效應(yīng)力條件的最小壁厚，這樣較簡便，但不能分析最大有效應(yīng)力的具體數(shù)值。

總體上，方法一適合于詳細(xì)、具體設(shè)計(jì)，方法二可用于初步方案設(shè)計(jì)，方法三可用于可行性分析和方案論證。

（二）推薦壁厚

結(jié)合相關(guān)波紋管涵洞的調(diào)研報(bào)告，得知波紋管所用鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，并考慮波紋管名義厚度與實(shí)際厚度的差異和波紋管的腐蝕富裕量，借鑒國外經(jīng)驗(yàn)綜合考慮上述因素，取安全系數(shù)，這里以安全系數(shù)1．5為例進(jìn)行分析，其容許應(yīng)力則取[σ]≥164Mpa。

計(jì)算可知：管徑1．5米的波紋管涵(波形r30 R30 L140 H70)，壁厚3mm在管頂填土高度5米以下(含5米)的最大等效應(yīng)力無論當(dāng)填土荷載或施加汽一超20后或施加掛車一120后都沒有超過164MPa，最大值為118．71 MPa：而填土高度為10米時(shí)，壁厚3mm及4mm的最大等效應(yīng)力超過164 MPa，壁厚5mm時(shí)在施加掛車一120下的最大等效應(yīng)力為176．58 MPa，壁厚6mm的為151．33MPa。故對于管徑1．5米的波紋管涵洞，當(dāng)填土高度≤5水時(shí)，推薦的管涵壁厚為3mm；當(dāng)填土高度達(dá)到10米時(shí)，推薦的管涵壁厚為6mm。根據(jù)上述分析原則，適當(dāng)考慮管壁腐蝕富裕量，推薦波紋管涵洞(波形L140H70)等管徑不同填土高度的壁厚也會有所不同。此外，根據(jù)調(diào)研情況，部分波紋管涵采用2．5m直徑，經(jīng)計(jì)算分析，對于管徑2．5米的波紋管涵洞(波形r30 R30 L140 H70)，當(dāng)填土高度為5米以下(含5米)時(shí)，推薦的管涵壁厚為3mm；當(dāng)填土高度達(dá)到8米時(shí)，推薦的管涵壁厚為6mm。

（三）公路鋼波紋管涵洞細(xì)部構(gòu)造及管材要求

根據(jù)力學(xué)分析及調(diào)研情況，采用A3或Q235A熱軋鋼板制作波紋管涵洞已經(jīng)完全能適應(yīng)公路工程的需求，但應(yīng)符合“碳素結(jié)構(gòu)鋼”GB700--88和“熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差”GB709—88的規(guī)定。波紋管加工后須采用熱浸鍍鋅等防腐。采用鍍鋅鋼板加工的，在加工后必須進(jìn)行防腐的二次處理。管材尺寸加工誤差應(yīng)控制在3％以內(nèi)。

根掘計(jì)算分析和涵洞施工及運(yùn)營的荷載效應(yīng)，必須對一定波形的鋼板厚度要求最小厚度：即應(yīng)用于鋼波紋管涵洞(波形為140×70mm)的鋼板最小厚度為3mm。作為涵洞的重要組成部分，連接螺栓及密封材料應(yīng)予以重視。連接螺栓的強(qiáng)度一定要達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且要有一定的耐腐蝕性。密封材料要求密封不漏水，耐久性好。

參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，鋼波紋管涵洞的連接材料應(yīng)該滿足下列條件：

連接用螺栓采用高強(qiáng)度六角螺栓連接，直徑較大的拼裝板式波紋管涵洞應(yīng)采用M20 X40- M20 X60規(guī)格（直徑小于2m時(shí)可采用M16 XL50規(guī)格）。螺栓和螺母均可采用熱浸鍍鋅防腐。

螺栓材料采用40Cr，且符合“合金結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件”GB3077-88的要求，理化指標(biāo)應(yīng)符合“鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓，大六角螺母，墊圈技術(shù)條件”GB/T1231-91的8.8級規(guī)定。

（四）選擇公路鋼波紋管涵洞的洞口與處理

1.選擇洞口

洞口建筑是由進(jìn)水口和出水口兩部分組成。洞口應(yīng)與洞身、路基銜接平順，并起到調(diào)節(jié)水流和形成良好流線的作用，同時(shí)使洞身、洞口(包括基礎(chǔ))、兩側(cè)路基以及上下游附近河床免受沖刷。另外，洞口型式的選定，還直接影響著涵洞的渲泄能力和河床加固類型的選用。

常用的涵洞洞口的類型主要有八字式、一字墻式、錐坡式、走廊式和平頭式。此外適合于鋼波紋管涵洞的還有：直管延長式、簸箕式。具體的形式推薦使用前兩種，并建議在進(jìn)出口基礎(chǔ)為剛性基礎(chǔ)時(shí)，涵管與進(jìn)出口采用柔性連接方式，如止水帶連接。

2.斜交洞口的處理

涵洞與路線相交，可分為正交和斜交兩種，常用斜交角α為750、600、450 三種。當(dāng)涵洞與路線斜交時(shí)，其洞口建筑所采用的各種形式與正交時(shí)基本相同。根據(jù)洞身的構(gòu)造不同，有兩種處理方法：斜交斜做和斜交正做。當(dāng)斜交涵管采用平頭式洞口時(shí)，其突出路基之外的三角臺，則以鋪砌護(hù)道邊坡的方法予以加固。

一般情況下可使用鋼波紋管涵斜交正做，參照美國公路橋粱設(shè)計(jì)艦范斜交正做中歪斜路堤的最小寬度取作涵洞矢高與覆蓋層厚度之和的1．5倍。

三、鋼波紋管涵洞施工技術(shù)控制

鋼波紋管涵洞施工工藝主要可以采用直接填筑法和反開槽回填法兩種，但是因?yàn)楹笳吆吹?/p>

施工多在路基施工結(jié)束后(新建公路)和改建涵洞(養(yǎng)護(hù)工程)，所以不會對路基施工整體進(jìn)度造成太大的影響，所以這種方法比較常見。這兩種方法在外力上有所不同，但是施工工藝基本是差不多的。

波紋管涵的施工技術(shù)方面主要應(yīng)控制好下面幾點(diǎn)：

施工一定要考慮季節(jié)時(shí)間因素，盡量避免在冰凍季節(jié)施工，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候會因冰凍影響工程質(zhì)量；

寒冷冰凍地區(qū)對基礎(chǔ)換填材料要求較高，在這些地區(qū)施工要嚴(yán)格控制粉粘粒含量，避免涵管凍脹破壞；

應(yīng)該分層碾壓基礎(chǔ)與涵管側(cè)面、頂部的填料，確保壓實(shí)度達(dá)到要求，避免涵管應(yīng)力集中、涵管變形和涵管兩側(cè)的跳車等事件的發(fā)生；

要避免涵管滾動，可以再壓實(shí)后的地基表面刻槽呈凹弧形以安放涵管；

涵管拼裝應(yīng)嚴(yán)格控制涵底縱坡，并加強(qiáng)管節(jié)的防腐措施，確保涵洞使用性能和服務(wù)壽命滿足要求?；A(chǔ)放樣時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求或工程經(jīng)驗(yàn)，針對不同地區(qū)在涵管縱向適當(dāng)預(yù)留一定的預(yù)拱度，如軟土地區(qū)預(yù)拱度可控制在0．5％左右。

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