高路堤鋼波紋管涵與鋼筋混凝土拱涵土壓力對比分析

胡小兵+李祝龍+梁養(yǎng)輝+姜濤+胡濱

0 引言

金屬波紋管涵洞是采用波紋狀管或由波紋狀弧形板通過連接、拼裝形成的一種涵洞形式，主要由鋼、鋁或塑料等材料制成。目前國內(nèi)鋼波紋管應(yīng)用比較廣泛，在青海、西藏、內(nèi)蒙古、山西、河北、新疆、上海、天津、黑龍江、湖北、湖南、寧夏、貴州、廣西、廣東、吉林等地都有不同程度的應(yīng)用，已使用鋼波紋管累計(jì)超過5×105 m。鋼波紋管涵洞由于軸向波紋的存在，使其具有優(yōu)良的受力特征，軸向和徑向同時(shí)分布因荷載引起的應(yīng)力應(yīng)變，可以更大程度上分散荷載的應(yīng)力集中，更好地發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢[1-2]。

本文采用4 m孔徑的鋼筋混凝土涵洞和5 m孔徑的鋼波紋管涵進(jìn)行對比分析，研究在高路堤情況下，不同結(jié)構(gòu)形式的涵洞在不同填土高度下土壓力的變化情況。由于中國南方地區(qū)降雨量偏多，江河湖泊也較多，地質(zhì)主要以軟土、膨脹土為主，加之特有的地形、地貌及地質(zhì)特征，使公路建設(shè)面臨不同的需求。山區(qū)沖溝多，涵洞填土往往很高，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，其配筋量往往很大；采用鋼波紋結(jié)構(gòu)則可以解決高填方的難題，且局部沖積軟土及膨脹土地區(qū)，應(yīng)用鋼波紋結(jié)構(gòu)作涵洞和通道，不僅可以解決工程對柔性涵洞大變形的需求，而且節(jié)省工程投資[3-4]。

1 工程概況

井睦高速公路是江西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃的組成部分，起自井岡山市廈坪，接泰和至井岡山高速公路，經(jīng)永新縣曲白以及井岡山市的新城、古城、寧岡，終于井岡山市贛湘交界處的睦村，與湖南省在建的炎陵至睦村高速公路相接，路線全長43.574 km。全線擬采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為80 km·h-1，路基寬度為21.5 m，采用瀝青混凝土路面。路線區(qū)內(nèi)的地貌可分為侵蝕構(gòu)造低山、侵蝕剝蝕丘陵、侵蝕剝蝕崗地、侵蝕堆積河谷平原4種地貌單元。不良地質(zhì)及特殊巖土體主要有路塹邊坡失穩(wěn)、軟土以及高液限土等。

本文對鋼波紋管涵與鋼筋混凝土拱涵進(jìn)行有限元模擬對比分析，填土高度均大于10 m，滿足高路堤填方要求。通過測定鋼波紋管涵洞隨填土高度變化的應(yīng)力變化規(guī)律，將鋼波紋管涵洞與鋼筋混凝土管涵進(jìn)行受力比較。

將直徑5 m鋼波紋管涵置于井睦高速三分部K30+465處，采用拼裝式波紋鋼圓管，與路線呈110°斜交；波形參數(shù)為150 mm×50 mm（波距×波高），壁厚為7 mm（鍍鋅前）；鋼波紋管涵洞所用材料為Q235A鋼材，防腐層采用熱浸鍍鋅，修筑過程中使用壓路機(jī)的質(zhì)量為25 t；填土密度為1.9 t·m-3，涵頂覆土最大高度為16.8 m。

直徑4 m的鋼筋混凝土涵洞位于井睦高速K26+845處，采用鋼筋混凝土拱通道，與路線呈90°正交；修筑過程中使用壓路機(jī)的質(zhì)量為25 t；填土密度為1.9 t·m-3，涵頂覆土最大高度為16.8 m。

1.1 有限元提取數(shù)據(jù)方案

測試的兩道涵洞為高填方涵洞，均采用公路I級(jí)車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)550 kN，參照現(xiàn)有研究成果制定相應(yīng)提取數(shù)據(jù)方案[5]。圖1為鋼波紋管涵在有限元模擬中各測點(diǎn)的斷面提取位置，圖2為鋼筋混凝土拱涵在有限元模擬中各測點(diǎn)的斷面提取位置。

1.2 鋼波紋管涵洞及混凝土拱涵的工況

對于本次所采用的兩道涵，主要分為4種工況（表1）。

2 運(yùn)用有限元模擬不同形式涵洞

2.1 有限元網(wǎng)格劃分

鋼波紋管殼體（shell163）采用四邊形網(wǎng)格劃分，土體及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用六面體（SOLID65單元）網(wǎng)格劃分，圖3和圖4分別為鋼波紋管涵和鋼筋混凝土拱涵劃分的有限元網(wǎng)格模型。鋼波紋管涵模型尺寸為填土高度16.8 m，管側(cè)兩邊土體寬度5 m，共劃分單元82 645個(gè)，節(jié)點(diǎn)79 866個(gè)；鋼筋混凝土拱涵共劃分單元102 468個(gè)，節(jié)點(diǎn)87 432個(gè)。材料參數(shù)見表2。

鋼波紋管涵以及鋼筋混凝土拱涵邊界條件：底面約束所有位移和扭轉(zhuǎn)自由度，即施加ALLDOF約束，管兩側(cè)施加水平位移約束，頂面施加荷載，余面自由。此條件對應(yīng)于反開槽回填施工工藝[6-7]。

2.2 有限元幾何模型

2.2.1 有限元計(jì)算荷載

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）中4.3.1 條第2款對橋梁結(jié)構(gòu)的局部加載、涵洞等的計(jì)算采用車輛荷載規(guī)定，取公路-Ⅰ級(jí)荷載為驗(yàn)算荷載，其荷載分布立面示意圖見圖5，車輛荷載見圖6。

2.2.2 提取模型應(yīng)力分布云圖

鋼波紋管涵有限元模型采用的直徑為5.0 m，波紋板的波形規(guī)格為150 mm×50 mm×28 mm，材料壁厚為7.0 mm，材質(zhì)為Q235，計(jì)算荷載采用國內(nèi)公路-Ⅰ級(jí)荷載，分別提取管涵在不同填土高度情況下的應(yīng)力分布情況，管側(cè)各取5.35 m土體。鋼筋混凝土拱涵采用拱直徑4 m，拱圈厚度0.48 m，基礎(chǔ)上下寬度分別為1.94 m、3.41 m，涵洞高3.0 m，分別提取拱涵在不同填土高度情況下的應(yīng)力分布情況。圖7、圖8所示分別為有限元模擬鋼波紋管涵應(yīng)力分布圖和鋼筋混凝土拱涵應(yīng)力分布圖。

從圖7、圖8位移云圖可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）鋼波紋管涵的等效應(yīng)力曲線為凹狀（反拱），鋼筋混凝土拱涵的等效應(yīng)力曲線為拱狀。

（2）鋼波紋管涵管周的土壓力值較鋼筋混凝土拱涵周圍土壓力值小，且從云圖可以看出鋼筋混凝土拱涵的應(yīng)力值最大。

（3）從云圖對比分析知，鋼波紋管涵的土層對管的壓力分布較均勻，與路基的協(xié)同性較好，可以提高行車舒適性。

3 有限元模擬結(jié)果及對比分析

3.1 豎向位移比較分析

圖9、10為鋼波紋管涵以及鋼筋混凝土拱涵涵周0°～90°的豎向位移。

從可圖9、10中以看出鋼波紋管涵洞和鋼筋混凝土拱涵豎向位移的分布規(guī)律基本一致，并得出如下結(jié)論。

（1）隨著填土高度的不斷增加，涵周外側(cè)各測點(diǎn)豎向位移都逐漸增加。endprint

（2）涵周0°處豎向位移較小，說明土體作用在0°方向上的土壓力較小。

（3）涵頂豎向位移相對其他角度較大，說明垂直于涵頂方向的土壓力最大。

（4）隨著填土高度的變化，土壓力存在變化的可能，涵周45°～90°方向出現(xiàn)較為迅速的豎向位移變形，且變形幅度較大。

鋼波紋管涵洞不同填土高度管周0°～90°的豎向位移與鋼筋混凝土拱涵豎向位移比較見表3。可以看出，鋼筋混凝土拱涵的豎向位移小于鋼波紋管涵的豎向位移，鋼波紋管涵更好地適應(yīng)了地基變形。

3.2 涵頂2 m處土壓力比較分析

由圖11、12可以看出鋼波紋管涵以及鋼筋混凝土拱涵涵頂2 m處的土壓力值，并得出如下結(jié)論。

（1）隨著填土高度從管頂+11.2 m增加至管頂+16.8 m，涵頂2 m處各測點(diǎn)土壓力值都逐漸增加。

（2）路中部位均出現(xiàn)土壓力值變大、鋼波紋管涵應(yīng)力削弱現(xiàn)象，峰值減小。

（3）從圖11、12中可看出，鋼波紋管涵土壓力呈M狀，鋼筋混凝土拱涵呈反拱狀。

鋼波紋管涵洞在不同填土高度管涵頂2 m處土壓力與鋼筋混凝土拱涵土壓力的比較見表4。

分析表4可知，采用鋼波紋管涵的土壓力小于鋼筋混凝土拱涵的土壓力。

3.3 右側(cè)豎向1 m處土壓力比較分析

由圖13、14可以看出鋼波紋管涵洞、鋼筋混凝土涵洞右側(cè)豎向1 m處土壓力分布規(guī)律基本一致，并得出如下結(jié)論。

（1）隨著填土高度從管頂+11.2 m增加至管頂+16.8 m，涵周右側(cè)豎向1 m處各測點(diǎn)土壓力都逐漸增加。

（2）采用鋼波紋管涵和鋼筋混凝土拱涵右側(cè)豎向1米處土壓力出現(xiàn)相似分布。

鋼波紋管涵洞不同填土高度涵右側(cè)豎向1 m處土壓力與鋼筋混凝土涵洞的土壓力比較見表5。

從表5可以看出，鋼波紋管涵右側(cè)豎向1 m處土壓力值較鋼筋混凝土拱涵的小，說明鋼波紋管涵周土壓力分布較鋼筋混凝拱涵更合理，對結(jié)構(gòu)的破壞力較小。

4 結(jié)語

從有限元仿真模擬可以看出，鋼波紋管涵洞管壁外受力分布較為均勻，鋼波紋管優(yōu)良的力學(xué)性能將管周土壓力進(jìn)行合理的二次分布；而鋼筋混凝土拱涵涵周應(yīng)力值較大，容易使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫或破壞。綜上所述得出以下分析結(jié)果。

（1）鋼波紋管涵在高路堤條件下會(huì)出現(xiàn)變形位移現(xiàn)象，且豎向位移大于鋼筋混凝土拱涵。

（2）隨著填土高度的增加，鋼波紋管涵與鋼筋混凝土拱涵在涵頂2 m處、涵側(cè)1 m處均出現(xiàn)土壓力值增大現(xiàn)象，鋼波紋管涵土壓力分布呈M形，土壓力分布較均勻，且土壓力值較鋼筋混凝土拱涵小。

（3）在高路堤情況下，土壓力作用在鋼筋混凝土拱涵上出現(xiàn)最大應(yīng)力，而鋼波紋管涵可以避免最大應(yīng)力，且合理分布在管涵上。

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