鋼波紋管涵洞變形處治方案

王艷波

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

作為一種較為新穎的結(jié)構(gòu)型式，鋼波紋管涵在我國(guó)最早應(yīng)用于1997年青藏公路的搶修工程中，由于其具有施工周期短、重量輕、耐久性好、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越被行業(yè)所認(rèn)可，并且相關(guān)的設(shè)計(jì)和施工規(guī)范也正在積極的制定當(dāng)中[1]。與其他結(jié)構(gòu)型式不同的是，鋼波紋管涵是一種柔性結(jié)構(gòu)物，在涵洞頂部填土施工完成之后，其結(jié)構(gòu)的變形特性明顯不同于剛性結(jié)構(gòu)物。在柔性結(jié)構(gòu)中，由于材料特性，使得鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)具有一定的適應(yīng)變形的能力[2]。鋼波紋管涵管節(jié)通過(guò)高強(qiáng)螺栓連接，如果管節(jié)的變形過(guò)大，首先會(huì)影響到涵內(nèi)的凈空，壓縮過(guò)水或通行面積，其次過(guò)大的變形產(chǎn)生的剪力會(huì)剪斷高強(qiáng)螺栓，或沿著最不利的方向撕裂高強(qiáng)鋼板，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的崩潰。

1 研究背景

某高速公路通車(chē)運(yùn)營(yíng)后，發(fā)現(xiàn)一處路面有局部輕微沉陷現(xiàn)象，且偶見(jiàn)裂縫。經(jīng)詳細(xì)排查，發(fā)現(xiàn)該處高填土鋼波紋管涵洞局部變形嚴(yán)重，經(jīng)實(shí)測(cè)，涵頂最大變形量已超過(guò)40 cm，其變形已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出自身允許變形范圍，涵頂高強(qiáng)螺栓連接處波紋鋼板出現(xiàn)明顯裂縫，如圖1、圖2所示。鋼波紋管涵參數(shù)：孔徑3 m；前右角130°；設(shè)計(jì)涵長(zhǎng)162.46 m；鋼板厚度t=6.5 mm；波形200 mm×55 mm；中心填土高度約為27 m；材質(zhì)Q235。如不采取處治措施，涵洞變形進(jìn)一步加大，結(jié)構(gòu)將會(huì)有垮塌的危險(xiǎn)。

經(jīng)研究，決定對(duì)鋼波紋管涵洞加固，加固方案就是在原1-3 m鋼波紋管涵洞中內(nèi)套1-2.2 m鋼波紋管涵。通過(guò)勾取匯水面積及徑流公式測(cè)算，1-2.2 m鋼波紋管涵能夠滿足設(shè)計(jì)流量要求，1-2.2 m鋼波紋管涵參數(shù)：鋼板厚度t=6.0 mm；波形150 mm×50 mm；材質(zhì)Q235。

圖1 涵頂填土情況

圖2 涵洞變形情況

2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

2.1 計(jì)算荷載的確立

設(shè)計(jì)荷載主要考慮管頂以上土體的靜載和行車(chē)動(dòng)載的綜合作用，靜載用DL表示，動(dòng)載用LL表示，總荷載用Pv表示。

a）土體靜載 DLDL= ωH=20 kN/m3×27 m=540 kN/m2；

b）行車(chē)動(dòng)載LLLL=2.63 kN/m2.

對(duì)于填土高度H大于等于管直徑D的情況，總荷載對(duì)波紋鋼管的作用力有所減小，需要對(duì)總荷載進(jìn)行折減，折減后的荷載可以通過(guò)總荷載乘以荷載系數(shù)K來(lái)得到。而壓實(shí)度和荷載系數(shù)之間有著緊密的聯(lián)系，當(dāng)填土高度大于或等于涵管的直徑時(shí)，靜載和動(dòng)載的總荷載與填土壓實(shí)度的關(guān)系可以用荷載系數(shù)K來(lái)聯(lián)系。本工程中路基采取95%的壓實(shí)度，對(duì)應(yīng)的荷載系數(shù)取0.75。

則：當(dāng) H≥D 時(shí)，Pv=K（DL+LL）=0.75（540 kN/m2+2.63 kN/m2）=406.9 kN/m2.

2.2 環(huán)向壓力的計(jì)算

為避免管壁在受徑向壓力下產(chǎn)生變形，管體結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度。為防止管體產(chǎn)生屈服、彎曲或裂縫，需要根據(jù)管壁受到的徑向壓力確定出管壁的應(yīng)力，并將其與容許值相比較。管壁應(yīng)力的容許值一般是由室內(nèi)破壞性試驗(yàn)獲得。波紋鋼管所能承受的總壓力Pv的選取要考慮波紋鋼管的抗變形能力，按實(shí)際工程的要求選擇合理壓實(shí)度，以確定波紋鋼管的環(huán)向設(shè)計(jì)壓力。

由于涵洞的受力是軸向?qū)ΨQ的，可以采用上半部來(lái)分析受力情況。管壁上的推力（稱為環(huán)向壓力）由鋼材承擔(dān)，方向與管壁相切，數(shù)值上等于管壁的徑向應(yīng)力乘以管半徑。作用于管面的應(yīng)力Pv和波紋鋼管環(huán)向壓力C之間的關(guān)系為：

C=Pv×D/2=406.9 kN/m2×2.2 m/2=447.6 kN/m.

2.3 極限應(yīng)力的計(jì)算

對(duì)于波紋鋼管涵洞，當(dāng)回填土體的壓實(shí)度達(dá)到95%時(shí)，最小屈服應(yīng)力為230 MPa，極限壓應(yīng)力fb與D/r有如下關(guān)系：

a）當(dāng)D/r≤294時(shí)，管壁區(qū)的極限應(yīng)力為：fb=230；

b）當(dāng)294＜D/r≤500時(shí)，管壁區(qū)的極限應(yīng)力為：fb=275-0.000 58（D/r）；

c）當(dāng)500＜D/r時(shí)，管壁區(qū)的極限應(yīng)力為：fb=3.4×10（D/r）.

式中D為波紋管涵的直徑；r為波紋管涵的截面回轉(zhuǎn)半徑。

結(jié)合本工程：實(shí)際管徑D=2.2 m；波形參數(shù)150 mm×50 mm；鋼板厚度為6.0 mm的波紋鋼管r=19.65 mm，即 D/r=4 000/19.65=203.56＜294，故取fb=230 MPa.

當(dāng)取安全系數(shù)為2時(shí)，極限應(yīng)力的計(jì)算值為：fc=fb/2=230/2 MPa=115 MPa=1 150 kg/cm2.

2.4 強(qiáng)度校核

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，必須使得設(shè)計(jì)應(yīng)力Pc≤fc，而環(huán)向壓力C和設(shè)計(jì)應(yīng)力Pc有如下關(guān)系，即Pc=C/A=447.6/0.784 6=600 kg/cm2＜ 1 150 kg/cm2，故采用波形參數(shù)150 mm×50 mm，管徑D=2.2 m，鋼板厚度t=6.0 mm的波紋鋼管在27 m填土高度和公路-I級(jí)荷載作用下能夠滿足截面強(qiáng)度要求。

3 加固方案

針對(duì)本工程出現(xiàn)的問(wèn)題，處治措施是通過(guò)內(nèi)套鋼波紋鋼管支撐原涵洞變形部位，兩者之間空隙澆筑膨脹水泥。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)的注意事項(xiàng)

a）由于填土較高，產(chǎn)品及安裝輔助機(jī)器（吊車(chē)）不能下放到涵洞口外側(cè)；

b）因管體長(zhǎng)度較長(zhǎng)，無(wú)法一步安裝到位，需分節(jié)安裝；

c）施工危險(xiǎn)，其組裝要在外面進(jìn)行組裝。

3.2 具體實(shí)施方案

3.2.1 波紋管的拼裝

在拼裝前，先檢查每片波紋鋼板的規(guī)格和外觀質(zhì)量，不符合設(shè)計(jì)要求的不得使用，確認(rèn)無(wú)誤后開(kāi)始拼裝。分片拼裝波紋鋼管是通過(guò)逐片、逐段的方式完成拼裝的，先拼裝底板，以此為基準(zhǔn)向兩端延伸，直至達(dá)到所需要的長(zhǎng)度。周向拼接也是第一塊底板為基準(zhǔn)從下往上順次拼裝，相鄰節(jié)段的周向搭接縫必須錯(cuò)位布置，嚴(yán)禁搭接處有4層或4層以上的重疊。分片拼裝的波紋鋼管在逐片重疊搭接后，每片上可在間隔位置先預(yù)收緊5～6處螺栓螺母，以方便后續(xù)各片位置、角度的調(diào)整。待整段涵管拼接完成并調(diào)整姿態(tài)后，再均勻收緊所有的螺栓螺母。所有的螺栓拼接時(shí)扭轉(zhuǎn)力矩應(yīng)達(dá)到200～400 N·m，并不超過(guò)螺栓需用力矩。每節(jié)拼裝成型后要檢查截面形狀，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，每安裝6 m進(jìn)行一次管節(jié)的圓度和直線度校正。如出現(xiàn)偏位或變形，采用千斤頂、定位拉桿或其他有效方式進(jìn)行糾偏或調(diào)整。

3.2.2 波紋鋼管的拖移

將波紋鋼管的前端用液壓機(jī)承載，中后段用吊車(chē)吊起，使波紋鋼管成水平狀，隨著液壓車(chē)的緩速前行，吊車(chē)也隨之保持同速前進(jìn)，將波紋鋼管緩慢送入涵洞內(nèi)。隨著波紋鋼管逐漸進(jìn)入涵洞，當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí)，吊車(chē)的鋼絲繩就會(huì)變成障礙，這時(shí)為了保證波紋鋼管能夠繼續(xù)進(jìn)入涵洞，需在其后端也安放一臺(tái)液壓車(chē)，兩臺(tái)液壓車(chē)保持同速前進(jìn)，將波紋鋼管全部送入到涵洞內(nèi)指定位置。如果在這過(guò)程中，兩臺(tái)液壓的動(dòng)力不足，就在涵洞內(nèi)安置一固定支點(diǎn)，采用葫蘆以人工拉拽的方式輔助波紋鋼管到達(dá)指定位置或者在涵洞外另一端用大型設(shè)備車(chē)牽引拉至指定位置。

3.2.3 混凝土澆筑

由于原涵洞內(nèi)套波紋鋼管后，兩涵之間形成的作業(yè)空間太小，若內(nèi)套波紋鋼管全部裝入后再澆筑混凝土，將導(dǎo)致混凝土填充極不密實(shí)。因此每安裝一段鋼管結(jié)束后，需對(duì)其四周澆筑混凝土，并且應(yīng)保證在澆筑混凝土過(guò)程中波紋鋼管不發(fā)生左右位移（在澆筑混凝土過(guò)程中對(duì)內(nèi)套波紋鋼管左右兩側(cè)進(jìn)行固定）。加固完成的鋼波紋涵洞如圖3所示。

圖3 加固完成的鋼波紋管涵洞

3.3 需要的器具及材料

在原涵洞出水口處澆筑4 m×4 m混凝土地坪，用于內(nèi)層加固波紋管拼裝。在波紋管開(kāi)始拼裝時(shí)，圍堰封堵原涵進(jìn)水口，確保原涵內(nèi)無(wú)流水，在原涵涵底澆筑混凝土以方便加固波紋管運(yùn)輸進(jìn)原涵洞內(nèi)。加固波紋管分2 m一節(jié)運(yùn)進(jìn)涵內(nèi)，節(jié)與節(jié)之間焊接連接，拼裝兩節(jié)即4 m后，支設(shè)堵頭模板并澆筑管間填充混凝土，混凝土采用膨脹混凝土，確保混凝土終凝后充滿兩管之間的間隙，依次直至加固完成。需要的材料及機(jī)具如表1、表2所示。

表1 材料表

表2 機(jī)具表

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼波紋管涵洞具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，但其拼裝期間及施工回填之后的較大變形也是無(wú)法忽視的問(wèn)題。因此，在管節(jié)拼裝時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行截面形狀檢查，如達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)立刻進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)應(yīng)保證，在涵洞拼接完成之后、涵洞回填未達(dá)到最小填土高度時(shí)，禁止一切重型車(chē)輛通過(guò)。