溝埋式公路鋼波紋管涵力學性能分析與測試

張建國，李永勝，楊 波，陳 旭

(1.中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065； 2.延安市公路勘察設(shè)計院，陜西 延安 716000)

0 引 言

鋼波紋管是由碳鋼板經(jīng)冷成型加工而成的管壁帶有波形截面并且管體表面經(jīng)耐腐蝕處理的金屬管道狀結(jié)構(gòu)物，其鋼材具有較高強度且變形大，波紋的存在使其具有環(huán)向剛度和軸向柔性的特性，能對結(jié)構(gòu)橫向位移進行補償[1]，構(gòu)成性能優(yōu)越的鋼-土結(jié)構(gòu)體。隨著鋼波紋管涵在工程上的應(yīng)用越來越廣泛，其受力性能受到了很多學者的關(guān)注.

美國鐵路工程協(xié)會提出荷載應(yīng)力環(huán)分散的概念，初步揭示了上部荷載作用下鋼波紋管涵洞的作用機理；Duncan[2]提出結(jié)構(gòu)-土體相互作用設(shè)計計算方法，利用有限元分析得出的圖表與公式來進行設(shè)計；K.M. El-Sawy[3]、蔣雪梅[4]等通過對鋼波紋管涵洞進行三維有限元計算，得出有限元分析結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)場試驗結(jié)果基本一致；李凌宜[5]等通過建立鋼波紋管有限元模型，得出在車輛及填土影響下管周應(yīng)變最大的位置；唐賽[6]等利用Ansys軟件建立模型，對比分析了單層鋼波紋管涵與雙層注漿鋼波紋管涵的受力變形規(guī)律；季文玉[7]通過理論分析、數(shù)值分析、現(xiàn)場試驗這3個方面的分析，對鋼波紋管力學性質(zhì)進行研究，得出鋼波紋管變形和應(yīng)力計算公式；馮忠居[8]等通過室內(nèi)試驗，在涵洞斷面布設(shè)應(yīng)變片，對管涵洞的力學特性及管周土壓力變化規(guī)律進行了研究；烏延玲[9]、楊露[10]、張紅宇[11]等通過現(xiàn)場試驗，研究了鋼波紋管涵在填土過程中的受力與變形特性；彭立[12]等通過現(xiàn)場測試和有限元分析，探討了波紋管參數(shù)、填土高度、土體彈模等參數(shù)對鋼波紋管涵應(yīng)力和變形的影響；胡小兵[13]等對比分析了高路堤鋼波紋管涵與鋼筋混凝土拱涵的土壓力，總結(jié)出一般規(guī)律；周義雄[14]等總結(jié)分析了鋼波紋管涵在公路工程中的優(yōu)勢及其應(yīng)用；魏瑞[15]等通過考慮管涵側(cè)向土體壓縮變形與管涵自身的豎向收斂變形之差,推導出管涵垂直土壓力的計算公式，并依托實際工程借助現(xiàn)場試驗驗證計算公式。

目前關(guān)于鋼波紋管涵的研究已取得不少成果，但在波形參數(shù)對鋼波紋管涵的影響方面的研究總結(jié)較少，不方便直接指導現(xiàn)場施工。本文結(jié)合依托工程，對溝埋式公路鋼波紋管涵進行現(xiàn)場測試，并通過有限元計算與現(xiàn)場測試結(jié)果進行對比分析，研究探討鋼波紋管涵的力學性能。同時通過有限元計算改變參數(shù)對管涵的受力及變形的影響，詳細分析了波長、波高、壁厚對鋼波紋管涵的影響，為實際管涵施工設(shè)計提供一定的參考。

1 現(xiàn)場測試

1.1 試驗概況

本文依托于延安市北過境線改擴建工程，對鋼波紋管涵洞進行現(xiàn)場試驗。

為了觀測鋼波紋管在分層填土過程中的應(yīng)變規(guī)律、水平向和豎向變形規(guī)律以及管涵周圍土壓力變化規(guī)律，現(xiàn)場試驗選取超車道與行車道分界線為試驗斷面，在試驗斷面布設(shè)鋼波紋管應(yīng)變、變形測點，在管涵周圍埋設(shè)土壓力盒。

由于斷面左右兩側(cè)應(yīng)變基本相同，故只需選取試驗斷面一半作為應(yīng)變測試區(qū)。以鋼波紋管涵內(nèi)的頂部為0° 測點，此后以順時針方向每隔30° 布置1個應(yīng)變測點直至管底，共布設(shè)7個測點，從管頂至管底編號依次為測點1～7。同樣，對于鋼波紋管圓周土壓力，內(nèi)部沿順時針設(shè)置7個測點。對于斷面變形，在波紋管內(nèi)部截面布置水平方向和豎直方向收斂計。測點布置如圖1所示。

圖1 測試截面測點布置

其中，應(yīng)變片型號為BFH120-3AA，布設(shè)好應(yīng)變片后用TDS-530靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行采集；收斂計型號為YH02-J20，采用YH50-A01型通用讀數(shù)儀對變形進行采集；土壓力盒型號為YH03-G06型振弦式，用萬能讀數(shù)儀對土壓力數(shù)據(jù)進行采集。

1.2 試驗結(jié)果及分析

把初始工況1定義為鋼波紋管兩側(cè)填土回填開始，此后填土經(jīng)分層壓實后高度不斷增加，把填土過程共分為17個不同高度的工況，以此測試管涵在不同工況下的應(yīng)變、變形及土壓力變化規(guī)律。工況對應(yīng)填土高度如表1所示，工況13時填土高度已超過管頂。

表1 上覆填土施工工況

1.2.1 管涵應(yīng)變測試

為了研究管涵內(nèi)部切向應(yīng)變規(guī)律，通過切向應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)，繪制試驗斷面內(nèi)部切向應(yīng)變規(guī)律如圖2所示。

圖2 鋼波紋管內(nèi)部切向應(yīng)變規(guī)律

由圖2可知：各個測點的切向應(yīng)變沒有顯示出明顯的規(guī)律，總體趨勢是先增大后減小，在工況11時切應(yīng)變達到最大值；斷面大多數(shù)切向應(yīng)變測點處于受拉狀態(tài)(應(yīng)變符號：受拉為“+”，受壓為“-”)，填土完成后，波紋管涵的波峰、波谷切向應(yīng)變測點最大值均出現(xiàn)在管頂測點1，最小值均出現(xiàn)在測點4；填土完成后，波峰測點切向應(yīng)變大于波谷測點的切向應(yīng)變值。波峰測點均處于受拉狀態(tài)，波谷測點4處于受壓狀態(tài)，其余測點均處于受拉狀態(tài)。

1.2.2 管涵變形測試

采用收斂計記錄管涵隨填土的變形，管涵截面水平及豎向變形隨填土增加的規(guī)律如圖3所示。

圖3 鋼波紋管涵變形規(guī)律

由圖3可以看出：隨著鋼波紋管涵側(cè)填土回填，鋼波紋管涵斷面水平向、豎向變形都呈現(xiàn)變大趨勢。管側(cè)填土初期，波紋管受到兩側(cè)土壓力擠壓作用，產(chǎn)生向上的豎向位移，且豎向位移隨著填土高度增加而增大，當填土到管頂時豎向位移變形達到最大。從工況13開始鋼波紋管涵豎向和水平向變形減小，這主要是由于填土已覆蓋至管涵頂部，管頂承受的荷載逐漸增大，從而導致鋼波紋管在水平和豎向上都受到壓縮。

1.2.3 管涵土壓力測試

利用在試驗斷面周圍埋設(shè)的土壓力盒，監(jiān)測試驗斷面隨填土高度增加周圍的土壓力變化規(guī)律，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 斷面測點土壓力變化

由圖4可以看出：在填土初始階段，隨著填土高度的增加，土壓力變化增長緩慢，當填土填至管頂高度后，土壓力增長迅速。其中測點1的土壓力最大，測點6土壓力最小，這主要是由于鋼波紋管下部楔形體不易被夯實，導致下部土壓力較小，而管側(cè)由于土-鋼相互作用的存在，土壓力會減小。鋼波紋管周圍土壓力分布由大到小大致為測點1、7、4、2、3、5、6。

2 有限元對比分析

2.1 有限元模型

利用ABAQUS進行有限元分析，采用均質(zhì)殼單元建立實際管涵模型，采用C3D8R單元作為土體的單元模型。對鋼波紋管涵模型及其周圍一定范圍內(nèi)的土體進行網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元計算模型如圖5所示。

圖5 鋼波紋管涵有限元模型網(wǎng)格劃分

對于地基模型，其底部采用固定約束，限制地基地面X、Y、Z三個方向的位移及轉(zhuǎn)動；對于管側(cè)土體模型，限制其水平向位移，不固定其豎向位移。同時采用生死單元進行施工階段模擬，這樣可以很好地反映出填土每個階段的應(yīng)力及變形情況，分析工況與實際回填情況基本保持一致[16]。

為了與實際施工情況相符合，有限元模擬要擬定準確的參數(shù)，根據(jù)依托工程提供資料，選擇填土、地基土、鋼波紋管的物理參數(shù)如表2所示。

表2 鋼波紋管與土體參數(shù)

2.2 有限元分析結(jié)果及對比

由于施工過程的間斷性，管涵的應(yīng)力變化可能不連續(xù)。因此選取2個測區(qū)豎向、水平的變形及管頂垂直土壓力平均值分層來進行對比分析，填土有限元模型位移云圖如圖6所示。

圖6 填土完成后豎向位移云圖

圖7 有限元計算與現(xiàn)場實測結(jié)果對比

由圖6可以看出：管涵頂部填土位移小于管涵側(cè)部填土豎向位移，由管涵變形對比結(jié)果可知，管涵水平與豎向變形實測值與有限元模擬值基本一致，有限元結(jié)果相比實測結(jié)果偏小，但整體差別不大；從管頂土壓力對比可知，有限元計算結(jié)果和現(xiàn)場實測土壓力值能夠較好地吻合。

綜上所述，通過有限元模擬管涵分層填土過程，發(fā)現(xiàn)有限元計算能夠和現(xiàn)場試驗在管涵變形及周圍土壓力方面較好地吻合，表明建立的有限元模型在精度上能夠滿足工程要求，有限元計算能夠較好地反映現(xiàn)場施工狀態(tài)。

3 參數(shù)對鋼波紋管影響分析

3.1 地基土彈性模量

利用有限元計算將地基模量從10 MPa增加到50 MPa，研究鋼波紋管涵頂垂直土壓力、變形規(guī)律，如圖8所示。

圖8 地基彈性模量與管涵變形、管頂土壓力關(guān)系圖

由圖8可以看出，隨著土體地基模量的增加，鋼波紋管涵豎向和水平向變形都逐漸增大，但增長趨勢不大；管涵頂部垂直土壓力隨著地基模量的增大而增大，且增長趨勢較為明顯，說明地基模量對管涵頂部垂直土壓力影響較大。

3.2 填土高度

通過改變鋼波紋管涵上部填土高度，研究鋼波紋管涵豎向和水平方向的變形規(guī)律及管涵周圍土壓力變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 填土高度與管涵變形、土壓力關(guān)系

由圖9可以看出，在填土回填過程中，管涵先受到側(cè)面土體的擠壓，此時管涵豎向處于受拉狀態(tài)。隨著填土高度不斷增加，管涵頂部所受荷載越來越大，導致管涵豎向受到壓縮，使水平向處于受拉狀態(tài)；管涵周圍土壓力隨著填土高度增加逐漸增大，管涵上部與管底土壓力變化趨勢較大，管涵頂部土壓力最大，管底土壓力僅次于管涵頂部土壓力，在管涵下部接近管底土壓力測點(測點6)土壓力最小。這與現(xiàn)場試驗所得結(jié)果是一致的。

3.3 波紋管參數(shù)

通過有限元計算改變鋼波紋管涵的波高、波長、壁厚，研究不同波紋管參數(shù)時其發(fā)生的變形與所受土壓力的變化規(guī)律。分別選取波長范圍150～300 mm，波高范圍30～60 mm，壁厚范圍4～12 mm進行有限元參數(shù)分析，得到波長、波高和壁厚與管涵變形、管頂土壓力的關(guān)系如圖10～12所示。

圖10 波長與管涵變形、管頂土壓力關(guān)系

圖11 波高與管涵變形、管頂土壓力關(guān)系

圖12 壁厚與管涵變形、管頂土壓力關(guān)系

由圖10～12可知：在波高、壁厚等其他條件相同時，隨著波長的增加鋼波紋管涵截面的水平、豎向變形量均呈增長趨勢，但趨勢緩慢。隨著波長的增加管涵頂部土壓力均減小；在波長、壁厚等其他條件相同時，隨著波高的增加，鋼波紋管涵截面豎向和水平方向的位移逐漸減小，管涵頂部的土壓力逐漸增大；在波長、波高等其他條件相同時，隨著鋼波紋管涵厚度的增加，截面水平和豎向變形逐漸減小，管頂垂直土壓力逐漸增大，其中鋼波紋管厚度由4 mm增加到8 mm過程中，管頂土壓力和變形相對變化趨勢較大；厚度由8 mm增加至12 mm過程中，波紋管涵管頂土壓力和變形受到厚度影響較小。

4 結(jié) 語

本文依托延安北過境線改建工程，對鋼波紋管涵進行現(xiàn)場測試及有限元計算，研究其受力性能，得到結(jié)論如下。

(1)鋼波紋管涵斷面切應(yīng)變與填土高度無明顯規(guī)律，測點大多處于受拉狀態(tài)；填土完成后，管頂切應(yīng)變最大，且波峰切應(yīng)變大于波谷。

(2)施工填土初期，管涵先產(chǎn)生豎向拱起，管涵整體呈豎向橢圓形；回填至管頂后，隨著管頂荷載繼續(xù)增加，管涵截面整體變?yōu)闄M向橢圓形。

(3)在填土初期，隨著填土高度增加，土壓力緩慢增大，當填土填至管頂后，隨著填土高度增加土壓力增長趨勢變大，且管頂處土壓力最大。

(4)管涵變形與管頂土壓力有限元計算所得結(jié)果與現(xiàn)場試驗基本保持一致，表明有限元計算能夠較好地反映現(xiàn)場施工狀態(tài)。

(5)管涵變形隨波長增加而增大，隨波高、壁厚增加而減小；管頂土壓力隨波高、壁厚增加而增大，隨波長增加而減小。管涵變形和管頂土壓力均隨地基彈性模量增加而增大，但地基彈性模量對管涵變形無明顯影響，對管頂土壓力影響較大。