波紋鋼明挖涵洞分塊及選型研究

車青森， 李亞利， 劉思遠(yuǎn)， 逯 平

（北京市市政二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100141）

由于具有綜合造價低、變形能力強(qiáng)、對基礎(chǔ)要求低、運輸方便、施工周期短、安裝方便、工廠化預(yù)制、施工速度快、環(huán)保等明顯優(yōu)勢，國內(nèi)開始使用波紋鋼管涵代替混凝土管涵[1～2]。諸多學(xué)者[3～5]對波紋鋼管的力學(xué)性能、波紋大小及厚度對結(jié)構(gòu)受力的影響，填土模量對波紋鋼管受力和變形影響，不同填土高度下壁厚對鋼波紋管力學(xué)性狀影響等方面進(jìn)行了大量研究；而對不同形狀波紋鋼明挖涵洞分塊及選型研究較少。因此本文主要對方拱形和圓形明挖涵洞不同波形、厚度、管徑、埋深分別組合進(jìn)行選型研究并對不同跨徑每環(huán)分塊情況進(jìn)行研究。

1 模型建立

利用ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行模擬，采用線彈性本構(gòu)模型。見表1。

表1 靜力計算本構(gòu)關(guān)系參數(shù)

波紋鋼涵洞截面由直線段和圓弧線段擬合而成，整個斷面由波紋高度D、波長P、內(nèi)徑R、規(guī)定壁厚T、正切角度θ和切線長度TL等相關(guān)參數(shù)確定。見圖1。

圖1 波紋鋼涵洞尺寸

為了研究波形參數(shù)對波紋鋼涵洞的受力變形影響，對模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化。

1）計算區(qū)域：橫向選取整環(huán)波紋鋼涵洞，縱向取3個波長。

2）邊界條件：為保證計算過程中模型不發(fā)生整體轉(zhuǎn)動及左右滑動，僅在波紋鋼涵洞下部選一條直線完全固定，其他部位不施加任何約束，假定為自由面。見圖2。

圖2 固定支座位置

3）均質(zhì)材料：模型建立過程中，認(rèn)為所假定的波紋鋼材料是各向同性的。

4）加載方式：作用在波紋鋼涵洞上下的豎向均布荷載和左右的水平均布荷載。

2 不同型號對波紋鋼管涵洞剛度和強(qiáng)度的影響

不同截面形式波紋鋼涵洞計算工況見表2。

表2 不同截面形式波紋鋼計算工況mm

2.1 不同波形

2.1.1 對涵洞剛度影響分析

在50 kPa 垂直均布荷載及40 kPa 水平均布荷載的作用下，涵洞的波形越大，產(chǎn)生的變形就越小。工況2比工況1變形減小了77%，波形工況3比波形工況2變形減小了13%。見圖3。

圖3 不同波形影響結(jié)構(gòu)位移變化趨勢

隨著波形的增大，波紋鋼涵洞剛度對波形的敏感性逐漸降低且在1 m 管徑條件下，波形＞150 mm×50 mm后，涵洞剛度對波形的敏感性較低。

2.1.2 對涵洞強(qiáng)度影響分析

在50 kPa 垂直均布荷載及40 kPa 水平均布荷載的作用下，涵洞的波形越大，涵洞應(yīng)力越小。工況2比工況1 應(yīng)力減小了29%，工況3 比工況2 變形減小了26%。見圖4。

圖4 不同波形影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化趨勢

隨著波形的增大，波紋鋼涵洞強(qiáng)度對波形的敏感性逐漸降低，但強(qiáng)度敏感性降低幅度遠(yuǎn)低于剛度敏感性。

2.2 不同厚度

不同厚度波紋鋼涵洞計算工況見表3。

表3 不同厚度波紋鋼計算工況mm

2.2.1 對涵洞剛度影響分析

在50 kPa垂直均布荷載及40 kPa水平均布荷載的作用下，涵洞的厚度越大，產(chǎn)生的變形越小。工況2比工況1 變形減小了16%，工況3 比工況2 變形減小了13%。見圖5。

圖5 不同厚度影響結(jié)構(gòu)位移變化趨勢

隨著板厚的增大，波紋鋼涵洞剛度對板厚敏感度逐漸降低。

2.2.2 對涵洞強(qiáng)度影響分析

在50 kPa 垂直均布荷載及40 kPa 水平均布荷載的作用下，涵洞的厚度越大，涵洞應(yīng)力就越小。工況2比工況1應(yīng)力減小了25%，工況3比工況2應(yīng)力減小了19%。見圖6。

圖6 不同板厚影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化趨勢

隨著波形的增大，波紋鋼涵洞強(qiáng)度對波形的敏感性逐漸降低，但強(qiáng)度敏感性降低幅度略大于剛度敏感性降低幅度。

3 波紋鋼明挖涵洞選型數(shù)值模擬

目前，對波紋鋼涵洞或綜合管廊一般是按照正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)設(shè)計，其中正常使用極限狀態(tài)設(shè)計采用數(shù)值模擬對結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行驗算，故擬通過數(shù)值模擬建立波紋鋼涵洞的選型表，為波紋鋼涵洞的設(shè)計提供參考。

對不同波形、厚度、管徑、埋深、截面形式進(jìn)行組合分析，不考慮圍巖自承能力，埋深通過土壓力公式換算成荷載，土壓力按照靜止土壓力計算。見圖7。

利用ABAQUS 有限元分析軟件，采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算。根據(jù)波紋鋼涵洞變形與設(shè)計值相差≯2%[6]的規(guī)定，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析、驗算，得出了圓形波紋鋼選型見圖8和圖9。

圖8 圓形波紋鋼涵洞選型

圖9 方拱形波紋鋼涵洞選型

4 裝配式波紋鋼涵洞分塊研究

4.1 分塊原則

裝配式結(jié)構(gòu)是在整體結(jié)構(gòu)形狀上進(jìn)行分塊預(yù)制，主要從結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、構(gòu)件質(zhì)量、拼裝難度、運輸成本等角度進(jìn)行考慮。從結(jié)構(gòu)受力角度來說，接頭是整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，容易承受比較大的軸力和剪力，但是很難承受較大的彎矩，因此目前主流的分塊方式為在整體襯砌零彎矩（以下稱為“彎矩最小位置”）位置進(jìn)行分塊，盡可能保持原結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，對原結(jié)構(gòu)受力擾動較小。

從現(xiàn)場施工角度來看，在制造和安裝可能的前提下，預(yù)制結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量大一些，可以減少環(huán)向接縫的數(shù)量和漏水的可能。拼裝構(gòu)件的縱向長度不應(yīng)過大或過小，縱向長度過小會增加環(huán)向接頭的數(shù)量，給接頭防水增加難度；縱向長度過大會增加運輸成本和現(xiàn)場拼裝難度。

4.2 分塊設(shè)計

4.2.1 方拱形涵洞

采用Midas GTX NX 有限元軟件對整體涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，使用經(jīng)典的荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布計算。波紋鋼結(jié)構(gòu)采用1D 梁單元進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)共被劃分為120個單元。

當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面較小，即涵洞跨徑＜2 m 時，結(jié)構(gòu)分為4塊較為合適；當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面較大，即涵洞跨徑＞2 m時，結(jié)構(gòu)分為8塊較為合適。見圖10。

圖10 方拱形涵洞分塊

4.2.2 圓形涵洞

采用Midas GTX NX 有限元軟件對整體涵洞結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，使用經(jīng)典的荷載-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行涵洞結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布計算。波紋鋼結(jié)構(gòu)采用1D 梁單元進(jìn)行模擬，結(jié)構(gòu)共被劃分為100個單元。

當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面較小即涵洞跨徑＜2 m 時，結(jié)構(gòu)不分塊即采用整環(huán)較合適；當(dāng)結(jié)構(gòu)斷面較大即涵洞跨徑＞2 m時，結(jié)構(gòu)分為4塊較為合適。見圖11。

圖11 圓形涵洞分塊

5 結(jié)論

1）涵洞的波形越大，其剛度和強(qiáng)度均越大；但隨著波形的增大，其剛度和強(qiáng)度對波形的敏感性逐漸降低，剛度對波形的敏感性降低幅度較大。

2）涵洞的厚度越大，其剛度和強(qiáng)度均越大；但隨著厚度的增大，其剛度和強(qiáng)度對波形的敏感性逐漸降低，強(qiáng)度對厚度的敏感性降低幅度較大。

3）通過數(shù)值模擬的方式，提出了波紋鋼涵洞選型表，為明挖波紋鋼涵洞選型設(shè)計應(yīng)用提供參考。

4）方拱形涵洞在跨徑＜2 m 時，每環(huán)宜分為4 塊，在跨徑＞2 m 后，每環(huán)宜分為8 塊；圓形涵洞在跨徑＜2 m時，宜采用整環(huán)不分塊，在跨徑＞2 m后，每環(huán)宜分為4塊。