公路鋼波紋管涵洞設計關鍵技術研究

摘要：由于目前還沒有針對性的結構計算方法來指導鋼波紋管涵的設計，同時由于鋼材的易腐蝕性，耐久性設計也是鋼波紋管涵的設計重點，文章結合南寧至北海公路改擴建工程應用實例，研究了鋼波紋管涵洞的結構設計方法和耐久性設計，為公路鋼波紋管涵洞的設計應用提供實踐參考。

關鍵詞：CHBDC法；耐久性設計；HDPE防腐；鋼波紋管涵洞

中圖分類號：U416.02

0 引言

涵洞是埋置于路基內以迅速排除公路沿線地表水的人工構造物，是公路排水系統的重要組成部分，能達到確保路基安全的目的。目前，公路建設中多采用鋼筋混凝土涵洞、圬工涵洞和磚涵，傳統涵洞在大多數情況下滿足了公路基本使用性能，但其結構存在對地基條件要求高、施工周期長、結構易開裂、涵底不均勻沉降造成路面塌陷等不足之處。

近年來，隨著新材料和新結構的出現，鋼波紋管涵洞替代傳統涵洞越來越多地被推廣應用在公路建設中。鋼波紋管涵洞對地基承載力要求相對較低，且利用自身結構的柔性解決了傳統涵洞剛度大、不能適應基礎變形帶來的問題，高效發揮了鋼材的抗彎拉性能。鋼材的材料特性和波紋化處理能夠充分消除不均勻沉降所產生的橫向位移應力，具有較強的抵抗變形和沉降的特性。對鋼波紋涵洞在回填前做好結構表面的防腐設計，提高其抗沖刷能力和耐久性能，是其設計的關鍵技術之一。

為提出合適的公路鋼波紋管涵洞結構設計和耐久性設計，本文依托南寧至北海公路改擴建工程中遇到的實際問題，對現有鋼波紋管涵洞的結構設計方法進行對比和分析，探究鋼波紋管涵洞復合型防腐工藝，旨在為新型結構設計提供理論支撐，促進相關技術標準規范完善形成。

1 鋼波紋管涵洞結構設計方法

鋼波紋管涵洞采取管軸向的鋼板波紋化處理，形狀為圓弧形波紋鋼板分塊拼裝，形成圓形管狀的閉合截面。作為一種典型的空間薄殼柔性結構，波紋管涵的結構設計是基于“環向壓力理論”的波形鋼板構件來進行計算的。國內關于鋼波紋管涵洞結構計算方法的研究起步較晚，目前還沒有針對性的設計方法和經驗公式，主要以有限元模型和國外設計方法進行結構計算。

1.1 國內外常用的結構設計規范

鋼波紋管涵洞作為一種新型的結構類型，目前國內尚無設計標準和規范可依［1］，相應的尺寸規格、設計標準僅在《公路涵洞通道用波紋鋼管（板）》（JT/T 791-2010）（以下簡稱《波紋鋼管（板）》）和《公路涵洞設計細則》（JTG/T D65 04-2007）（以下簡稱《細則》）中有所提及，但沒有針對鋼波紋管涵洞的結構計算方法。

對于孔徑＜8 m的鋼波紋管涵洞，國外已有成熟的設計經驗，且已編制了相應的技術規范。國外常見的結構設計方法包括《美國AASHTO LRFD》（簡稱AASHTO法）、《美國American Iron and Steel Institute》（簡稱AISI法）和《加拿大Canadian Highway Bridge Design Code》（簡稱CHBDC法）。

1.2 鋼波紋管涵結構設計方法對比

在實際項目中，為了充分發揮鋼波紋管涵的優勢，結構設計的方法除了參考傳統公路涵洞的設計方法，通常還借鑒了國外規范。為使結構安全性能滿足要求，對上述規范中的結構設計方法中荷載計算進行了對比分析（見下頁表1）。

從上述設計方法可以看出，在CHBDC方法的恒載壓力計算公式中，使用土拱系數（見下頁圖1）這一概念，充分考慮了填土與結構之間的相互作用，有利于結構設計的安全。而《細則》和另外兩個國外規范直接采用土體重量，根據以往工程的實測結果，γH值與實際測量數據相差較大，理論值較實際值偏大，容易造成鋼材的浪費。

在計算活載壓力時，根據項目所處位置車輛荷載情況，包括軸載、不同車型組成情況、車道橫向折減系數、車輪與地面接觸面等，選擇相應的活載計算方法。除此之外，只有CHBDC方法考慮了地震加速度的地震荷載，其他規范均沒有考慮，在高地震烈度區，CHBDC方法更加適用。

1.3 CHBDC方法的應用原理及其結構計算內容

通過上述比較，CHBDC方法在恒載計算上較其他方法更符合工程實際，活載計算和其他國內外規范一樣都考慮了車輛荷載擴散角度值，因此本文將按照CHBDC方法進一步研究其設計原理和計算內容。

CHBDC方法是基于極限狀態理論的一種設計標準，該方法將涵頂的恒載和活載等效為鋼波紋管的推力，利用環向壓力理論對鋼波紋管涵洞進行結構設計。其結構驗算的主要內容包括以下幾點：

（1）最小覆土高度限值。CHBDC方法規定了最小覆蓋填土高度的值為[SX（]Dh[]6[SX）][JB（（][SX（]Dh[]Dv[SX）][JB））]0.5、0.4[JB（（][SX（]Dh[]Dv[SX）][JB））]2、0.6 m 三者的最大值，其余規范的結構內力只計算軸向壓力，而覆土高度限制值可確保荷載引起的彎矩被控制在安全設計范圍，避免了波紋管管頂覆土的拉裂破壞和剪切滑移破壞［2］。

（2）恒載產生的壓力。涵洞頂的填土荷載產生的恒載標準值為TD=0.5（1.0-0.1Cs）AfW，計算恒載標準值時采用土拱系數Af，將填土與結構之間的相互作用計入公式。

（3）活載產生的壓力。涵洞頂的活荷載（主要為汽車）產生的活載標準值為TL=min{0.5Dhσlmf，0.5ltσlmf}。目前，國內外規范都是采用車輛荷載通過路面層與路基擴散到結構頂部得到作用在結構上的活載標準值計算方法。

（4）總荷載產生的壓力。

按考慮地震荷載和不考慮地震荷載的影響分為兩種類型，地震荷載影響的壓力公式如下：

2 鋼波紋管涵洞的耐久性設計

鋼波紋管涵洞用鋼板壓制成波紋的形狀，通過拼裝和螺栓連接成管涵結構，代替了傳統的鋼筋混凝土管體或支承結構體。由于鋼材易腐蝕性和波紋特殊形狀，在設計中除了考慮結構強度和剛度滿足規范要求外，還需要對結構進行耐久性設計，提高碳素結構鋼的抗腐蝕性。

耐久性設計對鋼波紋管涵洞的建設使用至關重要，影響到管涵的使用壽命，以及全壽命周期的經濟性。目前，我國鋼波紋管涵洞的耐久性設計大多數只是對鋼波紋板用熱浸鍍鋅防腐處理（只有《波紋鋼管（板）》6.3.1提及），并沒有根據不同區域采用針對性的防腐方案。實際上，鋼波紋管涵洞的耐久性設計應在現場勘察調查后，提取耐久性設計計算的參數，并結合管涵使用壽命計算結果和防腐設計方法進行耐久性設計，這樣的方法更符合工程實際。

2.1 涵位現場勘查資料調查

根據涵位所處位置的勘察資料，包括水質和土壤的研究分析報告、水文計算、水流流速及水質含砂情況，提取土壤和水的電阻率、pH值、土壤含水量，水質含泥沙的參數，通過防腐設計方案和金屬涵管壽命綜合進行耐久性設計。

2.2 鋼波紋管涵洞防腐設計

鋼波紋管涵洞的外側被路基填料填充，內側與水、空氣直接接觸，且受到水流沖刷的影響，土壤、水和管壁金屬發生的化學反應對管壁涂層造成腐蝕性破壞，環境電阻率、pH值、土壤含水量是影響管壁腐蝕速度的主要因素，水自身的硬度及水流沖刷攜帶的顆粒物對管道的磨蝕也是重要因素之一。

鋼波紋管涵洞耐久性、防腐蝕設計的內容主要有：金屬涂層、非金屬涂層、內襯設置。通常情況下，中等腐蝕和弱腐蝕條件下，采用金屬涂層工藝；強腐蝕條件下，在金屬涂層基礎上增加非金屬涂層作為結構防腐補充措施，非金屬涂層采用水泥砂漿或混凝土保護層、瀝青材料涂層、聚合物涂層等；內襯設置是為了減少顆粒物對管壁的磨蝕，常用的內襯材料有混凝土、瀝青和塑料等。

2.3 鋼波紋管涵洞使用壽命計算

國外對金屬鋼波紋管涵洞在極限狀態下的耐久性設計主要是從管涵的使用壽命來考慮的，目前主要依據美國鋼鐵協會AISI發布的行業標準，1.6 mm鍍鋅鋼板預期的使用壽命的公式為：

按照鍍鋅鋼板平均使用壽命的計算公式，繪制出環境pH值、土壤電阻率和鋼波紋管涵洞平均使用壽命之間的關系圖（圖2），用來判定結構大致的使用壽命和失效時間，該數據可以指導涵壁防腐維修、養護。具體的計算方法是：（1）根據涵位資料得到土壤電阻率大小R，在橫坐標找到R值作垂線，與確定的環境pH線相交；相交點對應的豎坐標數值即為涵洞外壁接觸土壤的使用壽命；（2）如果要計算水流側的管涵壽命，將水與土壤的電阻率進行替換，再采用前文圖表和公式計算；（3）不同壁厚的涵管，如要采用公式和圖表，需要乘以相應的換算系數，即可得到對應的使用壽命（表2）。

3 工程應用實例

3.1 工程背景

南寧至北海公路（南間至黎合江段）改擴建工程是二級公路提級改造項目，項目過村鎮路段多，建設周期長、施工交通組織難度大。項目建設中，部分拆除重建的涵洞在基坑開挖后，存在地質情況較差的情況。為解決涵洞施工中發現的上述問題，充分發揮鋼波紋管結構變形協調能力，將鋼筋混凝土涵洞變更為鋼波紋管涵洞。項目K8+670段涵洞基坑開挖完成后，淤泥較深，清淤換填的工程量較大。綜合考慮地質的復雜程度、施工組織、工期要求等因素，將原蓋板涵變更為直徑2×4.5 m的鋼波紋管涵洞。

3.2 鋼波紋管涵洞結構計算

鋼波紋管涵洞跨徑布置為2×4.5 m，最大填土高度取4.8 m（實際4.06 m），鋼板厚度為6 mm，波形為200 mm×55 mm，波紋鋼板材質采用Q235，A=7.11 mm2/mm，I=2 771.36 mm4/mm。其主要參數如表3所示。

采用CHBDC法極限狀態設計理論對該項目結構進行計算。根據CHBDC規范7.6.4.1條的規定：

3.2.1 最小覆土高度

3.2.2 荷載組合

根據CHBDC規范7.6.3.1.1條規定，荷載組合：Tf=αDTD+αLTL（1+DLA）=467.44 kN/m

其中行車動荷載影響系數DLA=0.1。

3.2.3 抗彎強度驗算

3.2.4 結果分析

上述計算結果表明，K8+670段鋼波紋管涵洞實際的填土高度大于規范要求的最小覆土高度，管涵管壁強度滿足結構驗算的要求。K8+670段鋼波紋管涵洞采用工廠預制、現場拼裝的方式，加快了施工進度，減小對現狀交通的影響。

3.3 鋼波紋管涵洞使用壽命與防腐設計

該項目處于沿海地區，根據勘查報告、水質分析報告，涵位處屬于中、強腐蝕地區，參考國內先進金屬管防腐方法，防腐設計采用了HDPE熱鍍鋅碳鋼復合波紋管防腐技術。具體的工藝為：在碳鋼上雙面熱鍍鋅后又熱壓塑料膜。其中，碳鋼材質為Q235或Q345，碳鋼表面雙面熱鍍鋅（鍍鋅量為每面600 g/m2），表面熱壓高密度聚乙烯（HDPE）土工膜，在HDPE土工膜與鍍鋅層之間熱壓一層改性HDPE膠膜。這種防腐技術與傳統的熱鍍鋅碳鋼波紋管相比，具有更好的耐磨性。

經過AISI圖表計算法、疊加法以及相關試驗的分析比較，HDPE熱鍍鋅碳鋼復合波紋管綜合防腐蝕壽命可＞100年，而單獨的HDPE膠膜在土壤中的使用壽命按公式計算為66年，單獨熱鍍鋅碳鋼復合波紋管（板）的防腐壽命為67年。因此，該項目碳鋼復合波紋管較傳統的熱鍍鋅碳鋼波紋管可延長防腐蝕壽命＞30年。

4 結語

鋼波紋管涵洞具有較為廣闊的推廣應用前景，在整體穩定性、實用性、經濟性等方面有很大的優勢。本文通過工程實例，研究分析了公路鋼波紋管涵洞的結構計算方法和耐久性設計，主要得出以下結論：

（1）在鋼波紋管涵洞結構驗算中，CHBDC法更符合項目實際情況，充分考慮了管涵與回填材料之間的相互關系，提高了結構設計的精度，確保鋼波紋管涵洞結構的安全性［3］。

（2）耐久性設計對鋼波紋管涵洞的建設使用至關重要，直接影響管涵的使用壽命、全壽命周期的經濟性和建成后的維修養護。在借鑒國外先進成果的同時，應加快對鋼波紋管涵洞的試驗研究，促進相關技術標準規范完善形成。

（3）本文提出了公路鋼波紋管涵洞的結構計算方法和耐久性設計，提高了鋼波紋管涵洞的防腐蝕壽命，可供同類型的工程項目參考。

參考文獻

［1］姚昌海.淺談公路波紋鋼管橋涵施工［J］.公路交通科技（應用技術版），2013，9（6）：211-214.

［2］李欣欣.鋼波紋板橋涵設計與實例分析［D］.廣州：華南理工大學，2012.

［3］王 告.山區公路大直徑鋼波紋管涵設計施工技術研究［D］.重慶：重慶交通大學，2019.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：黃榮豐（1994—），助理工程師，主要從事公路橋涵設計研究工作。