螺旋波紋鋼管涵洞現(xiàn)場應變測試有限元分析

李鵬飛+胡濱+曹彪

摘要：對直徑為1.5 m的小孔徑螺旋波紋鋼管涵洞進行現(xiàn)場測試，用有限元軟件對管周和軸向測試數(shù)據(jù)進行分析，并將分析結(jié)果與現(xiàn)場涵洞的實際變形情況進行對比。結(jié)果表明：螺旋波紋管波谷、波峰的切向應變差值與所處位置基本無關(guān)；車輛在路面行駛時，螺旋波紋管波峰、波谷出現(xiàn)的都是拉應變。該研究為國內(nèi)螺旋波紋鋼圓管涵洞的使用和分析提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：螺旋波紋鋼管；涵洞；應變測試；有限元分析

中圖分類號：U449.83文獻標志碼：B

Abstract： Through the field test of spiral corrugated steel pipe culvert with diameter of 15 m， the finite element software was used to analyze the tube and axial test data， and the results of the analysis were compared with the actual deformation of the culvert. The results show that the tangential strain difference of the wave crests of the spiral corrugated pipe is basically independent of the position； when there are vehicles running on the road， the wave crests of the spiral corrugated pipe all show tension strain. This study provides the basis for the use and analysis of domestic spiral corrugated steel pipe culverts.

Key words： spiral corrugated steel pipe； culvert； strain test； finite element analysis

0引言

隨著波紋鋼管在道橋工程建設(shè)中的推廣應用，其工期短、工藝簡單等優(yōu)點逐漸突顯，越來越多的工程，尤其是涵洞、小橋等，選擇用波紋鋼管取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[13]。其中應用和研究較多的是環(huán)形波紋鋼管，如納啟才等[46]對凍土區(qū)波紋鋼管涵洞進行應變測試及效益分析，為波紋鋼管在高寒高海拔地區(qū)的應用提供了參考；張紅宇等[79]研究了大孔徑波紋鋼管涵洞的受力和經(jīng)濟效益，為大孔徑波紋鋼管的使用提供了經(jīng)驗；張東山等[1012]通過大孔徑波紋鋼管涵洞在多雨山區(qū)公路上的應用，提出了山區(qū)公路波紋鋼管涵洞施工的質(zhì)量控制標準。這些工作在一定程度上都給出了環(huán)形波紋鋼管涵洞在實際工程應用中的研究成果；但是隨著波紋鋼管的推廣，螺旋波紋鋼管也開始出現(xiàn)，有關(guān)螺旋形波紋鋼管的應用和研究還比較少。

本文以泗許高速公路為依托，通過對現(xiàn)場螺旋波紋鋼管涵洞進行應變測試，探討螺旋波紋鋼管涵洞在實際應用中的受力應變情況，為螺旋波紋鋼管的推廣和應用提供參考。

1試驗方案

1.1涵洞基本情況

泗許高速公路安徽淮北（宿州）段1標有直徑15 m小孔徑螺旋波紋鋼圓管涵洞，樁號為K8+4233。波形采用125 mm×25 mm形式，波圓弧半徑為40 mm；設(shè)計壁厚為3 mm，填土高度為329 m，斜交角為70°。

1.2應變片及測點布置方案

管周應變測試點布置如圖1所示。

在距離路中心線2 m處，取波谷、波峰2個測試斷面，每個斷面布設(shè)12個測點，共計24個測點；其中奇數(shù)表示波谷位置，偶數(shù)表示波峰位置，每個測點處布設(shè)1個應變片，粘貼于管內(nèi)側(cè)。軸向應變測試方案為：沿管軸線方向自路中心線2 m處至邊坡，在管頂0°處的波谷、波峰位置依次均勻布設(shè)56個軸向應變片，將管周0°測試位置作為軸向測試的起始位置；之后54個應變片分3個測區(qū)，每個測區(qū)長45 m且均勻布設(shè)18個應變片，即每4個波（05 m）中在1個波峰和1個波谷上布設(shè)應變片，如圖2所示。應變片通過導線連接至BZ2205C程控靜態(tài)電阻應變儀。

測試時填土高度為26 m，車輛前軸重286 t，后軸重992 t，總重1278 t，軸距為45 m，輪距為18 m。以后軸作用點對應位置為各個測試工況。車輛按照圖3所示的方向沿道路前進，以管中間跨中位置為坐標零點（對應編號19、29、39），分別沿路線方向以1 m的距離向兩端延伸。試驗工況設(shè)計為：車輛在超車道、行車道、緊急停車道（路肩）行駛時平行測試3組，共39個試驗工況，編號11～113為緊急停車道（路肩）行駛工況，21～213為行車道行駛工況，31～313為超車道行駛工況。

1.3應變片粘貼與儀器連接

在對應測點內(nèi)表面粘貼應變片。應變片的粘貼步驟依次為：定點打磨、砂紙磨平、酒精清洗、粘貼應變片、粘貼端子、絕緣處理、焊接端子與應變片、焊接電線、檢查連接、連接測試箱、連接儀器、準備測試。各儀器按要求連接，避免斷路、短路和線路接觸不良等情況發(fā)生。連接波紋管、應變片、平衡鐵塊、應變儀、計算機，并外接電源，使各儀器穩(wěn)定正常工作。

1.4測試步驟

測試儀器連接妥當后，使車輛在對應工況位置停車測試，完畢后進入下一工況。按照平衡、測量、讀數(shù)的操作步驟使用應變儀進行測量，在第1次測量前只進行1次平衡。

2螺旋波紋鋼圓管周向試驗數(shù)據(jù)分析

圖4～6分別為車輛在路肩、行車道、超車道移動時波紋管的應變變化?？梢钥闯?，車輛在3個車道移動時波谷、波峰表現(xiàn)出的應變變化規(guī)律基本是相同的：隨著車輛駛來，螺旋波紋鋼管波谷、波峰的切向應變隨之增加。但是在模型計算中并沒有這種現(xiàn)象，所以本文在有限元的數(shù)據(jù)中只提取了車輛位置在-8～0 m的數(shù)據(jù)。其原因可能是土壤黏結(jié)力和內(nèi)摩擦角造成的“延時效應”[1315]。

從圖4（a）、圖5（a）和圖6（a）可知：波谷應變值在管周45° 位置較其他位置大，225° 位置最低。說明無論波峰、波谷，車輛駛來時45° 測點的應變都會受到很大的影響。分析圖6（b）可得，超車道對應應變值較大的測點依次為135°、30°、45°、90°；180° 測點最小。與圖4（b）、圖5（b）相對比，超車道這種現(xiàn)象更加明顯。這是由于超車道是管周測區(qū)所在位置車道，車輛對管周應變的影響較大，同時車輛移動接近測區(qū)時，0°～180° 這一側(cè)是迎著車頭的測區(qū)，其應變值較180°～360° 側(cè)大。

為有效分析螺旋波紋鋼圓管的斷面應變，把每個車道距涵管中心-8 m處作為初始測點，用后續(xù)

波峰、波谷數(shù)值分別減去該值，得到螺旋波紋鋼管相對初始測點的有效應變值，在此基礎(chǔ)上可以對管周應變進行分析。

圖7為車輛在路肩移動時波紋管的應變，可知波峰、波谷切向沿著斷面基本為拉應變，且應變值基本相當，呈現(xiàn)出等拉的“周向圓環(huán)狀”，即螺旋波紋鋼管應變沿管周基本不變，這是螺旋波紋鋼管由鋼帶螺旋狀卷制形成的結(jié)果[1617]；波谷45° 測點處存在突出點。車輛位置從-7～0 m變化時相鄰工況的2條曲線間隔較大，對應的應變增量較大。車輛位置繼續(xù)變化，對應曲線間隔較小，相應增量也較小。

圖8為車輛在路肩移動時波峰、波谷的應變差，其隨管周角度的變化規(guī)律為：應變差在15°、135°、225°和300°測點表現(xiàn)為正值，在180°表現(xiàn)為較大的負值。這是因為在管頂填土的情況下，180°時管底波谷與基礎(chǔ)直接接觸，拉應變較大，且上部荷載越大，該部位的波峰、波谷應變差也就越大。波峰、波谷切向應變差值基本與荷載位置沒有很大關(guān)系，而且各個測點應變差在一個很小的范圍內(nèi)變動，基本保持一個相對固定的值。這說明隨著車輛荷載的移動，各個測點的波峰和波谷的變化基本相同。

圖9為車輛在行車道移動時波峰、波谷切向應變變化，可知沿著斷面基本為拉應變，且應變值基本相當，呈現(xiàn)出等拉的“周向圓環(huán)狀”。45°波谷具有一定的缺口，但隨著車輛位置的移動，這些缺口慢慢被修復。管底最大壓應變?yōu)?7 με，且隨著車輛位置的移動，壓應變也被緩和。即荷載的加入使得管周受力更加均勻，讓管材結(jié)構(gòu)形式得到充分發(fā)揮。

圖10為車輛在行車道移動時波峰、波谷應變差隨著管周角度的變化規(guī)律，可知波峰、波谷應變差在135°、225° 測點表現(xiàn)為正值，在180° 測點表現(xiàn)為較大的負值。對每個測點進行分析可得：波峰、波谷切向應變差值與荷載位置沒有很大關(guān)系，而且各個測點的應變差都在一個很小的范圍內(nèi)變動，基本保持一個相對固定的值。這說明各個測點的波峰和波谷應變變化基本相同，且與車輛荷載的相關(guān)性較小。

對比圖10、12分析可知：車輛在不同車道移動時，波峰、波谷應變差隨著管周角度的變化規(guī)律具有一定的相似性，即波峰、波谷應變差在135°、225° 測點大多表現(xiàn)為正值，在180°處表現(xiàn)為負值。這是因為在管頂填土的情況下，180°時管底波谷與基礎(chǔ)直接接觸，拉應變比較大，且上部荷載越大，該部位的波峰、波谷應變差也就越大。

3螺旋波紋鋼圓管軸向試驗數(shù)據(jù)分析

圖13～15為各車道荷載移動對管頂橫向位置應變的影響，可以看出：車輛在路肩行駛時，管頂波谷、波峰切向應變在21～28波變化幅度較大，波谷、波峰應變值變化比較活躍，0～21波則沒有明顯跳動。說明在低路堤路肩施加荷載時，螺旋波紋鋼管涵洞管端受力影響較明顯；同時螺旋波紋鋼管的受力優(yōu)勢正是在于其波形的存在，當車輛靠近螺旋波紋鋼管時，波峰、波谷的應變值立即就會發(fā)生明顯變化，以抵抗外界荷載。

車輛在行車道行駛時，波谷、波峰切向應變在8～22波變化幅度較大。同時可以看出低路堤的重車荷載對螺旋波紋鋼管涵洞的影響幅度在15個波左右，影響管長為75 m。

當車輛在超車道行駛時，波谷、波峰切向應變在0～7波變化幅度較大?？梢娷囕v對涵洞的影響范圍并沒有其在行車道移動時大，這是因為車輛擴散長度超出測試區(qū)域所致。

4結(jié)語

（1）螺旋波紋鋼管的管周向應變值在0°～180° 測區(qū)位置較180°～360° 大，且波峰、波谷最大應變值分別出現(xiàn)在45°、135° 測點。隨著車輛駛來，各車道對應的螺旋波紋鋼管波谷、波峰切向應變隨之增加。波峰、波谷切向應變差值基本與車輛荷載位置不相關(guān)，而且各個測點應變差基本保持在一個相對固定的值。

（2）隨著車輛的移動，波峰、波谷切向沿著周向斷面基本為拉應變，且應變值基本相當，呈現(xiàn)出等拉的“周向圓環(huán)狀”。

（3）車輛在各個車道行駛時對應的該區(qū)域軸向應變值變化較活躍，大多數(shù)是谷值大于峰值；荷載對低路堤螺旋波紋鋼管涵洞的影響范圍在15個波左右。

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[責任編輯：杜敏浩]