鋼制波紋管在漾泉大道的設計與應用

張 杰

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

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鋼制波紋管在漾泉大道的設計與應用

張 杰

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

介紹了鋼制波紋管在國內外的應用現狀及優點，并以漾泉大道工程為例，從計算參數選取、荷載計算、強度驗算等方面，闡述了鋼制波紋管在道路涵洞應用中的結構計算方法，總結了鋼波紋管涵的施工要點，保證了工程的施工質量。

鋼制波紋管，涵洞，荷載，強度驗算

1 鋼制波紋管的國內外應用

早在1784年英國率先發明金屬波紋管橋涵，然后在1896年美國最早開始了波紋鋼板通道、涵管的研究，并且首次在公路涵洞中應用。1923年美國鐵路工程協會在伊利諾斯州中央鐵路進行了波紋鋼板通道的測試。此后，波紋鋼管涵洞產品被廣泛應用于美國和加拿大公路工程，并制定了相應的技術標準、設計制造及施工安裝手冊。到二十世紀八九十年代東亞國家如日本和韓國也提出相應的金屬波紋管橋涵的技術規范，開始廣泛使用。全世界近百年來的應用情況，已驗證了在各種情況下金屬波紋管橋涵的普遍適用性。現在，世界各國關于鋼波紋管涵的國家標準和規范比較齊全，技術已經非常成熟，其使用壽命也超過了設計壽命。

20世紀40年代我國已開始了金屬波紋管橋涵的應用。抗日戰爭時期滇緬公路使用了從美國進口的波紋鋼板。1997年—1999年，在青藏公路多年凍土區安裝了3道(2道整體式、1道拼裝式)管涵。

自2000年以來，國內如內蒙古、山西、河北等地區也逐步開始應用鋼波紋管涵。

2 鋼波紋管涵的優點

1)耐久性強，鋼板表面通過熱浸鍍鋅，形成了細密的保護層，因此抗腐蝕性能優異。2)施工工期短，現場安裝方便、快捷。3)工廠集中化生產，質量穩定、可靠。4)適應變形能力強，可用于軟土、膨脹土地、濕陷性土地等地基承載力較低地區。5)對環境破壞小，利于環保。

3 工程概況

漾泉大道位于陽泉市北側，陽泉市郊區南側。道路東起陽泉市郊區白家莊村北的陽五高速公路陽泉出口處，西至新北大街，道路設計全長6 191.555 m，是一條陽泉市區及郊區對外聯系的城市主干路。甄家莊河段位于陽泉市漾泉大道第五標段K5+408.5處。

甄家莊河段是李家莊河的主要支流，漾泉大道上跨該河段，故需在甄家莊河道處修筑地下排洪涵洞。甄家莊河道涵洞工程防洪標準為百年一遇，該河段設計流量為75.7 m3/s。

該涵洞位于煤礦采空回填區，回填最高達90 m，地基壓實不夠均勻，工后沉降問題較大，經兩次專家會論證，為提高工程的穩定性及安全性，本工程排洪涵洞設計采用鋼波紋管涵。

4 鋼波紋管涵結構計算分析

4.1 計算參數

汽車荷載等級：公路—Ⅰ級，環境類別：Ⅰ類環境。

鋼波紋管涵內徑D=3 000 mm，鋼波紋管涵壁厚δ=10.0 mm。

波紋管波長q=300 mm，波紋管波高h=110 mm。

填土深度H=41 100 mm，鋼波紋管直邊段長度Lt=60 mm。

填土容重γ1= 18.00 kN/m3，鋼波紋管容重γ2=78.00 kN/m3。

鋼波紋管彈性模量E=200 GPa。

4.2 荷載計算

1)恒載計算。

填土垂直壓力(土壓力)：

P恒=γ1×H=18.0×41 100/1 000=739.8 kPa。

2)活載計算。

按《公路橋涵設計通用規范》第4.3.1條和第4.3.2條規定，計算采用車輛荷載；當填土厚度不小于0.5 m時，涵洞不考慮沖擊力。

按《公路橋涵設計通用規范》第4.3.4條規定：

計算涵洞頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下作30°角分布。參照《公路小橋涵設計示例》。

按規定計算荷載分布寬度a=5.1+2×41.1×tan30°=52.558 m。

計算荷載分布長度b=12.8+2×41.1×tan30°=60.258 m。

車輛荷載為550 kN×2=1 100 kN。

因此活載計算為：

P汽=(2×550)/(a×b)=1 100/(52.558×60.258)=0.347 kPa。

3)荷載組合。

按《公路橋涵設計通用規范》第4.1.6條進行作用效應組合。

承載能力極限狀態組合：

Pud=1.5×P恒+1.5×P汽=1.5×739.8+1.5×0.347=1 110.221 kPa。

正常使用極限狀態組合：

短期組合Psd=P恒+0.7P汽=739.8+0.7×0.347=740.043 kPa。

長期組合Pld=P恒+0.4P汽=739.8+0.4×0.347=739.939 kPa。

4)荷載分析。

鋼波紋管涵洞的設計荷載由恒載和活載組成，恒載主要是涵洞上的回填土壓力，活載主要為行駛在涵洞上的汽車荷載。由于本涵洞填土較高，活載所占比例很小，對荷載影響可忽略不計。

4.3 強度驗算

1)波紋管允許應力[σ]。

波紋管涵材質為Q345鋼材，其屈服強度最小為345 MPa。

鋼材允許應力[σ]采用屈服應力除以安全系數得到，取安全系數為2，則：[σ]=345/2=173 MPa(數值取整)。

2)驗算結果。

按照國家技術標準GB/T 12777—2008金屬波紋管膨脹節通用技術條件中附錄A.2中規定：

(1)

式中：p——荷載作用，MPa；

D——波紋管涵內徑，mm；

δ——波紋管厚度，mm；

n——材料層數，n=1；

Lt——波紋管直邊段長度，mm；

E——彈性模量，MPa；

Cwb——有效系數，取為1.0；

下標為c的相關參數如Lc，Dc等為加強套環的相關參數，本計算不涉及。

(2)

其中，Kr為周向應力系數，取為1.02；q為波距，mm；Dm為波紋管平均直徑，Dm=D+h+nδ,h為波高，mm；Acu為單個波紋的金屬橫截面積的數值，mm2，Acu=δ(0.571q+2h)。

對承載能力極限狀態進行驗算：

135.413 MPa≤Cwb[σ]=173 MPa。

對正常使用極限狀態進行驗算：

3)強度驗算結論。

經對承載能力極限狀態以及正常使用極限狀態兩種情況下的強度進行驗算，鋼波紋管涵的強度滿足要求。

5 鋼波紋管涵的施工

5.1 鋼波紋管涵施工工藝流程

工藝流程為：施工前準備→施工放樣→開挖涵管基坑→平整場地→基礎分層回填→檢測壓實度、含水量等→水準測量→平整場地→施工放樣→拼裝管節→檢測水密情況及管底縱坡→檢測并補救防腐涂層→涵管就位→兩側分層回填→檢測壓實度、含水量等→管頂分層回填→檢測壓實度、含水量等→進出口處理。

5.2 鋼波紋管涵施工要點

鋼波紋管涵施工質量主要從以下幾方面進行控制：

1)鋼波紋管涵地基及墊層施工。

2)鋼波紋管涵的運輸及現場拼裝、連接。

3)鋼波紋管涵兩側及頂部回填。

4)洞口處理。

鋼波紋管涵具有強度高、質量輕、安裝方便、費用低及抗變形能力強等優點，但上述特點需建立在設計合理、施工可靠的基礎上，因此，良好的安裝施工是保障鋼波紋管結構安全、可靠的重要條件。

目前，漾泉大道甄家莊河道涵洞已經施工完成一年半，涵洞使用情況良好，建設、施工單位也反映施工簡便，達到了預期的設計效果。

[1] JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2] JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[3] JTT 791—2010，公路涵洞通道用波紋鋼管(板)[S].

[4] GB/T 12777—2008，金屬波紋管膨脹節通用技術條件[S].

[5] 李祝龍.公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術[M]．北京：人民交通出版社，2007.

[6] 劉培文，周 衛，張君緯，等.公路小橋涵設計示例[M]．北京：人民交通出版社，2005.

[7] 蔡 楓．鋼制波紋涵管的構造設計要點[J]．山西交通科技，2007(4):57-58.

[8] 趙江輝．高速公路涵洞設計淺談[J]．山西建筑，2010,36(8):283-284.

[9] 史成萬，侯 革.鋼波紋管涵在高填方路基上的應用[J]．公路與汽運，2007(1):122-124.

Steel corrugated pipe in the design and application of Yangquan road

Zhang Jie

(TaiyuanAcademyofMunicipalEngineeringDesign，Taiyuan030002，China)

This paper introduced the application status and advantage of steel corrugated pipe at home and abroad, and taking the Yangquan avenue engineering as an example, from the calculation parameters selection, load calculation, strength calculation and other aspects, elaborated the structure calculation method of steel corrugated pipe in road culvert, summarized the construction main points of steel corrugated pipe culvert, guaranteed the engineering construction quality.

steel corrugated pipe, culvert, load, strength calculation

1009-6825(2016)11-0143-03

2016-02-01

張 杰(1982- )，男，工程師

U214.87

A