關于公路鋼波紋管涵洞設計的相關分析

李傳亮

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

關于公路鋼波紋管涵洞設計的相關分析

李傳亮

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550081)

鋼波紋管涵是一種典型的空間薄殼柔性結構，波紋可增強結構的受力性能，充分發揮結構在強度、變形等方面的優點。與傳統鋼筋混凝土涵結構相比，鋼波紋管涵具有運輸安裝方便、環保性能良好、造價低等優點，故在公路涵洞和通道等項目施工中得以廣泛應用，詳細介紹了公路鋼波紋管涵的概念、應用優勢、施工工藝和主要參數計算方法等設計情況，希望對今后類似工程施工有一定的參考價值。

鋼波紋管涵；設計情況；公路涵洞施工

1 鋼波紋管涵的介紹

鋼波紋管涵是指利用機械施工手段將鋼波紋管和土密切結合在一起，以形成一個完整的抗車輛荷載涵洞形式。鋼波紋管涵作為一種柔性結構，可利用這一特性將涵洞形成土拱效應，將涵洞最上端部分所承受的荷載轉移至洞體兩側，以減少涵洞所承受的外界荷載，保證涵洞整體結構的穩定性，充分發揮涵洞所形成的管—土共同體系的作用。

鋼波紋管涵在公路涵洞施工中的應用優勢主要體現在以下方面。

(1)鋼波紋管對地基的要求較低，且在地基處理這一環節上無需花費較多的費用，且基本是在保破壞原地基的基礎上進行施工的，尤為適用于北部的軟土、凍土等地區，對保證路基內部的水熱平衡等具有重要作用。

(2)采用圓形設計，結構受力較矩形結構更為合理，荷載分布均勻，抗變形能力、耐久性強，減少通車后養護成本等。

(3)管涵通常采用標準化設計、工廠化加工、施工工藝簡單，能明顯縮短工期并降低施工成本。

(4)鋼波紋管涵四周均涂刷了防腐涂料，故其耐腐蝕性及耐久性能更好。

2 公路鋼波紋管涵洞施工工藝

傳統的鋼波紋管涵施工工序為先進行鋼波紋管涵準確定位安裝，再在管涵兩側進行逐層回填砂礫土，采用小型夯實機進行夯實，最后進行管涵兩端八字墻及相關附屬工程施工。傳統的施工方法導致涵背兩側不密實，尤其是緊貼管涵部分，易產生涵背空洞等質量病害，通過改變施工工藝，先進行整體基礎換填，與相鄰路基同步進行填筑施工，填筑至鋼波紋管涵中部位置高程時，采用經過改裝后的挖掘機進行反開挖施工，開挖完成后進行鋼波紋管涵安裝，最后進行涵背兩側回填、兩側八字墻及相關附屬工程施工。

3 公路鋼波紋管涵洞的設計分析

鋼波紋管的結構計算方式包括施工過程驗算、波形鋼板構件計算、有限元模型等，主要以有限元模型和AISI(環向壓力法)為例對公路鋼波紋管涵洞結構進行計算分析。

3.1 AISI(環向壓力法)

環向壓力法的設計原理是在涵洞所能承受的最大承載力基礎上，對管壁推力進行計算，若管壁推力無法滿足涵洞穩定性的要求，可結合計算結果和管壁周圍填土的壓實度，對管壁推力進行調整。波形鋼板強度、連接部強度等參數可利用下述公式進行計算。

(1)上部荷載和環向壓力的計算公式分別為PV=K(DL+LL)、C=PV×S/2。

(2)鋼波紋板強度的校核：PC=C/V

(3)鋼波紋板柔度系數FF計算(管應具備足夠的剛度來抵抗施工中的吊裝、安裝等受力要求)FF=S2/EI<0.114 mm/N。

3.2 有限元模型建立

(1)計算假定和建模實現

主要利用有限元程序ABAQUS對波紋鋼管涵洞的受力變形情況進行數值模擬仿真分析，具體仿真過程和結果如下。

①計算區域：模型上下左右邊界到波紋鋼管的中心距離約是管道直徑的5倍；沿著管壁的水平方向，截取一段波紋管作為模型構建的主要對象，且波紋管的長度僅為一個波長單位；

②邊界條件：若模型水平風向的位移距離為零，可通過增加滾動支座的方式，對模型X方向的位移情況等進行約束、控制；若模型下部邊界的豎直方向位移距離為零，可通過增加滾動支座的方式，對模型Y方向的位移情況等進行約束和控制；若模型前后部的水平豎直方向位移距離為零，可通過該增加滾動支座的方式，對模型Z方向的位移情況等進行約束和限制。

③均質材料：研究中為了減少材料對設計結果的影響，將模型建立過程中所使用的波紋鋼管、填土等材料，假設為性質相同、方向不同的材料；

④接觸關系：從波紋鋼管與土體的相對滑移、模型數值的計算效率及計算收斂性等角度考慮，為了避免波紋鋼管與其周圍土體之間出現脫空等問題，在研究這二者相互作用的過程中，決定采用Tie進行約束模擬。同時，采用四節點通用殼單元S4、八節點六面體實體單元C3 D8I分別對波紋鋼管的變形情況、土體單元進行模擬。

(2)本構關系和參數選取

從土體主要的力學特性這一方面進行考慮，數值模擬研究中所采用的材料單元模型包括線性彈性、Mohr-Coulomb彈塑性，這兩種模型方式在試驗操作便捷性、物理意義的明確等方面均具有十分重要的意義。Mohr-Coulomb彈塑性本構模型中所涉及的參數值如表1所示。

表1 Mohr-Coulomb彈塑性本構模型參數值

4 結 語

如上所述，隨著鋼波紋管設計理念日益革新，使得該類結構逐漸朝著工廠化、標準化、環?；确较虬l展，在公路涵洞等項目施工中的應用，可避免差異性沉降或地基變形等問題的出現，進一步保證工程質量。主要從AISI(環向壓力法)、有限元模型建立這兩種設計方式入手，對鋼波紋管涵洞的設計情況進行分析，希望通過全文的論述能為有關工作人員開展相應工作提供參考，以推動鋼波紋管設計行業的持續發展。

[1] 馮忠居， 烏延玲， 賈彥武，等. 鋼波紋管涵洞受力與變形特性模擬試驗研究[J].巖土工程學報， 2013， 35(1)：187-192.

[2] 李曉勇， 梁養輝， 李祝龍，等. 低路堤荷載作用下鋼波紋管涵切向應變現場測試[J].公路工程， 2013， 38(3)：90-94.

[3] 李長江， 李祝龍， 胡濱，等. 東北季凍區大孔徑鋼波紋管涵洞受力特征分析[J].筑路機械與施工機械化， 2016， 33(3)：45-48.

U442

C

1008-3383(2017)11-0089-02

2017-09-13

李傳亮(1986-)，男，山東梁山人，中級，研究方向：橋涵設計。