壁厚對波紋鋼管涵受力與變形特征影響分析★

黃志福，楊語翔，何金武，韓飛飛，劉 洋

(1.安徽省交通控股集團有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽建筑大學 建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230601)

0 引言

隨著國家公路網的不斷完善,山區高速公路建設越來越多,受地形條件的影響,常需設置涵洞用于人行或排水。目前,公路涵洞多采用鋼筋混凝土結構,然而,由于施工周期長,運行階段開裂和地基沉降等病害較多,加固和維修難度大,其經濟性和適應性較差。波紋鋼因具有較高承載力、較強變形適應能力和造價低等優點受到諸多關注,并成功應用于公路涵洞中,具有廣闊的應用前景[1-2]。

20世紀以來,國內外學者開展了波紋鋼管涵洞的理論和應用研究,White[3],Reynold[4]等通過研究提出了“環向壓力理論”,為波紋鋼結構設計提供了理論基礎。李宏江[5]對影響其力學性能的高跨比、寬跨比、鋼腹板的波紋形狀及其板厚等幾何參數進行了敏感性研究,結果表明增大鋼腹板厚度可以改善結構在偏載作用時的受力性能。王彩君[6]在對比國內外的結構設計方法之后,結合波紋鋼板涵的特點,通過Ansys建立了三維有限元模型對波紋鋼管涵進行研究,分別討論了管涵的力學性能與填土高度、鋼板厚度、土壤參數以及結構幾何尺寸之間的關系。David B G與Ian D. Moore[7]通過噴涂襯板修復波紋鋼結構因腐蝕造成的厚度損失,對比實驗得出,經過噴涂修復后的波紋鋼管涵承載力約有30%的提升。施緒[8]通過對管涵施工過程進行數值模擬分析,發現影響結構承受荷載能力大小的原因主要為回填土密實度和回填施工方法。唐楊等[9]通過建立不同板厚和波高的Abaqus三維模型進行對比發現: 波紋鋼管涵的結構變形隨著波紋鋼板厚度的減小逐漸增大,并且變形增長越來越快; 波高對波紋鋼管涵洞變形的影響與鋼板厚度的影響相似。

上述文獻主要研究了波紋鋼管涵的力學性能與填土高度、土壤參數、施工方法、波形等因素之間的關系,但對其力學性能與壁厚之間的關系缺乏研究。波紋鋼管涵的壁厚對結構自身的變形和受力起著重要的作用,若壁厚較小,則結構可能發生較大的變形,在回填過程中其應力值可能也會發生較大的增加,從而影響結構的穩定性,造成安全隱患;若結構厚度較大則可能造成施工成本的大大增加,造成不必要的浪費[10]。因此選擇合適的壁厚,可以既保證結構的變形及應力在滿足規范要求的同時[11],又保證結構經濟實用。

本文以桐岳高速六標波紋管人行通道為工程背景,建立不同壁厚(5 mm,6 mm,7 mm,8 mm,9 mm)的波紋鋼管涵模型,對不同壁厚的模型進行計算分析,研究壁厚對波紋鋼管涵受力性能的影響。

1 數值模型

1.1 計算假定和建模實現

以桐岳高速六標波紋管人行通道為工程背景,采用有限元軟件建立數值模型,模型尺寸為12 m×8 m×20 m(寬×長×高),斷面尺寸為4×3.2,波形大小為375 mm×125 mm(波長×波高);假定模型僅在上部邊界為自由面,而在模型的X軸左右側水平方向位移、Y軸下部邊界豎直方向位移與Z軸前后側邊界水平方向位移均為零;且計算區域內的波紋鋼管涵、填土以及地基土等模型材料的材料性質均為各向同性材料。建立的數值模型見圖1。

1.2 本構關系和參數選取

采用的材料單元本構關系主要有線彈性本構模型和Mohr-Coulomb彈塑性本構模型。其中,波紋鋼管采用理想線彈性本構模型,填土、墊層和地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型,且主要考慮楊氏模量E、泊松比μ、內摩擦角φ和黏聚力c等參數,材料參數如表1所示。

表1 材料參數

2 數值結果分析

2.1 壁厚對結構應力的影響

通過數值分析,得到不同管壁厚度下波紋鋼管涵截面的應力云圖,如圖2所示,截面底部位置為-90°,頂部位置為90°,從截面底部向頂部圓周方向取點,得到不同管壁厚度下截面左半部不同位置的應力變化曲線,如圖3所示。

根據圖2應力云圖可知,波紋鋼拱涵的應力集中發生在底板中心位置兩側和拱腳處,而底板和頂板整體應力較小,且隨著壁厚的增加,結構最大應力減小較為顯著。

對比分析圖3中壁厚為5 mm和6 mm的應力變化曲線,可以看出,當壁厚由5 mm增加至6 mm時,結構整體應力值發生了顯著的減小,在波峰截面應力最大處減小了約15 MPa,拱腳處減小了約15 MPa,側板整體應力平均值減小約20 MPa;同時在波谷截面應力最大處減小約10 MPa,側板整體應力平均值減小約23 MPa,說明當厚度較小時厚度的增加有效控制了應力值,壁厚6 mm的波紋鋼管涵在涵頂波峰處應力值相比5 mm管涵涵頂波峰處應力值僅減小7 MPa(波谷截面減小8 MPa),遠小于側板波峰處應力值減小的20 MPa(波谷截面減小16 MPa),說明壁厚由5 mm增加至6 mm時,壁厚的增加對波紋鋼管涵的側板位置處應力變化的影響要大于對涵頂處的影響。壁厚由6 mm增加至9 mm的四個計算工況中,可以發現環向角度在-45°～45°的區域內(即波紋鋼結構側板),每次壁厚的增加都會使得該區域的應力值發生較大的減小,說明壁厚的增大對波紋鋼管涵中部位置應力的控制效果較好;而環向角度-90°～-45°的管涵下部區域,在壁厚6 mm到壁厚9 mm的四個工況中,其應力值雖然得到減小,但是減小的幅度并不大,說明壁厚由6 mm增至9 mm對管涵底部區域應力值的影響較小。而涵頂處應力變化與涵底處則不同,壁厚由7 mm增加至9 mm時,管涵上部區域的應力值減小幅度仍較為明顯,得到較好的控制。

綜合上述分析可得,壁厚的增加會整體降低管涵的應力;壁厚的增加對管涵側面的應力變化控制效果要好于管涵頂部和底部區域;不同壁厚下的波紋鋼管涵波峰截面的應力值最大值在管涵底部位置(波谷截面應力最大值位于側板下部);波峰截面處涵頂應力值總大于涵底應力值;波谷截面處涵頂應力值總小于涵底應力值。

2.2 壁厚對結構變形的影響

通過數值分析,得到不同管壁厚度下波紋鋼管涵截面的位移云圖,如圖4所示,截面底部位置為-90°,頂部位置為 90°,從截面底部向頂部圓周方向取點,得到不同管壁厚度下截面左半部不同位置的位移變化曲線,如圖5所示。

根據圖4位移云圖可知,波紋鋼結構的沉降變形主要發生在底板和頂板部位,側板主要隨底板沉降而發生整體沉降,自身沉降變形較小。壁厚增加對結構的沉降變形改善較不明顯。

由圖5可以得出,不同厚度下的波紋鋼管涵從底部到頂部的位移值逐漸增大,整體上位移變化曲線呈現上升趨勢,且當環向角度大于-45°時,位移值的增速減緩。圖中可知,不同厚度波紋鋼管涵截面在小于-45°時厚度越大,位移越大;在大于-45°時厚度越大,位移越小,這是由于波紋鋼管涵的上部變形主要是由于回填覆土引起的,而下部變形主要由于結構自重影響。對比分析厚度為5 mm和6 mm壁厚的波紋鋼管涵位移曲線可以發現,兩條位移曲線差值較大,尤其是-45°～60°區域,此區域約在波紋鋼結構的側板位置,說明厚度增加1 mm有效減小了波紋鋼管涵側板的位移變化,頂部位置的位移變化同樣得到較大減小。當壁厚由6 mm增加至7 mm時,波紋鋼結構位移減小較大的區域約是環向角度0°～90°區域,此區域約是管涵的中間腰部至涵頂處,壁厚的繼續增大有效控制了結構的上半部分變形;但結構的下半部分變形隨著壁厚的增加反而增加,但是增加幅度并不明顯。通過對比壁厚為7 mm,8 mm和9 mm三種壁厚下的位移變化曲線可知,三條位移曲線的變化趨勢及數值比較接近,此時壁厚的增加雖然會減小結構的變形,但是減小的幅度較小,若實際工程中采取厚度過大的波紋鋼板材,則會造成經濟浪費。

針對本工程的波紋鋼結構來說,通過數值分析的5種壁厚下的結構變形結果顯示,采用7 mm的壁厚,既可以有效控制波紋鋼管涵的變形,又可以節省造價。

3 結論

1)壁厚的增加會減小管涵的應力;壁厚的增加對管涵側面的應力變化控制效果要好于管涵頂部和底部區域;不同壁厚下的拱形波紋鋼管涵波峰的應力值最大值均在管涵拱腳位置;波谷的應力值最大值均在管涵拱底位置。

2)對于覆土波紋鋼拱涵而言,應力集中處于側板拱腳處,當埋深或結構跨度過大時,可采用其他方法進行加固。

3)壁厚的增加可以減小波紋鋼管涵的變形,但減小的效果不明顯;考慮到壁厚增加引起的自重變形,應選出一個既經濟又安全的壁厚;僅考慮壁厚這一影響因素,波紋鋼管涵的較佳壁厚選擇為7 mm。