溝埋式公路鋼波紋管涵力學(xué)性能分析與測(cè)試

張建國(guó)，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(jì)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(qiáng)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(duì)結(jié)構(gòu)橫向位移進(jìn)行補(bǔ)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(xué)者的關(guān)注.

美國(guó)鐵路工程協(xié)會(huì)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(jī)理；Duncan[2]提出結(jié)構(gòu)-土體相互作用設(shè)計(jì)計(jì)算方法，利用有限元分析得出的圖表與公式來進(jìn)行設(shè)計(jì)；K.M. El-Sawy[3]、蔣雪梅[4]等通過對(duì)鋼波紋管涵洞進(jìn)行三維有限元計(jì)算，得出有限元分析結(jié)果，對(duì)比發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(duì)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(chǎng)試驗(yàn)這3個(gè)方面的分析，對(duì)鋼波紋管力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，得出鋼波紋管變形和應(yīng)力計(jì)算公式；馮忠居[8]等通過室內(nèi)試驗(yàn)，在涵洞斷面布設(shè)應(yīng)變片，對(duì)管涵洞的力學(xué)特性及管周土壓力變化規(guī)律進(jìn)行了研究；烏延玲[9]、楊露[10]、張紅宇[11]等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，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(chǎng)測(cè)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(duì)鋼波紋管涵應(yīng)力和變形的影響；胡小兵[13]等對(duì)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(shì)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(dǎo)出管涵垂直土壓力的計(jì)算公式，并依托實(shí)際工程借助現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)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(duì)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(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。本文結(jié)合依托工程，對(duì)溝埋式公路鋼波紋管涵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并通過有限元計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究探討鋼波紋管涵的力學(xué)性能。同時(shí)通過有限元計(jì)算改變參數(shù)對(duì)管涵的受力及變形的影響，詳細(xì)分析了波長(zhǎng)、波高、壁厚對(duì)鋼波紋管涵的影響，為實(shí)際管涵施工設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

1.1 試驗(yàn)概況

本文依托于延安市北過境線改擴(kuò)建工程，對(duì)鋼波紋管涵洞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

為了觀測(cè)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(chǎng)試驗(yàn)選取超車道與行車道分界線為試驗(yàn)斷面，在試驗(yàn)斷面布設(shè)鋼波紋管應(yīng)變、變形測(cè)點(diǎn)，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(yàn)斷面一半作為應(yīng)變測(cè)試區(qū)。以鋼波紋管涵內(nèi)的頂部為0° 測(cè)點(diǎn)，此后以順時(shí)針方向每隔30° 布置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)直至管底，共布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn)，從管頂至管底編號(hào)依次為測(cè)點(diǎn)1～7。同樣，對(duì)于鋼波紋管圓周土壓力，內(nèi)部沿順時(shí)針設(shè)置7個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)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(jì)。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測(cè)試截面測(cè)點(diǎn)布置

其中，應(yīng)變片型號(hào)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(jìn)行采集；收斂計(jì)型號(hào)為YH02-J20，采用YH50-A01型通用讀數(shù)儀對(duì)變形進(jìn)行采集；土壓力盒型號(hào)為YH03-G06型振弦式，用萬能讀數(shù)儀對(duì)土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

1.2 試驗(yàn)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(shí)后高度不斷增加，把填土過程共分為17個(gè)不同高度的工況，以此測(cè)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(duì)應(yīng)填土高度如表1所示，工況13時(shí)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(cè)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(yàn)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(gè)測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)變沒有顯示出明顯的規(guī)律，總體趨勢(shì)是先增大后減小，在工況11時(shí)切應(yīng)變達(dá)到最大值；斷面大多數(shù)切向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)處于受拉狀態(tài)(應(yīng)變符號(hào)：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(cè)點(diǎn)最大值均出現(xiàn)在管頂測(cè)點(diǎn)1，最小值均出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4；填土完成后，波峰測(cè)點(diǎn)切向應(yīng)變大于波谷測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)變值。波峰測(cè)點(diǎn)均處于受拉狀態(tài)，波谷測(cè)點(diǎn)4處于受壓狀態(tài)，其余測(cè)點(diǎn)均處于受拉狀態(tài)。

1.2.2 管涵變形測(cè)試

采用收斂計(jì)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(shì)。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(dāng)填土到管頂時(shí)豎向位移變形達(dá)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(dǎo)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(cè)試

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

圖4 斷面測(cè)點(diǎn)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(zhǎng)緩慢，當(dāng)填土填至管頂高度后，土壓力增長(zhǎng)迅速。其中測(cè)點(diǎn)1的土壓力最大，測(cè)點(diǎn)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(shí)，導(dǎo)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(huì)減小。鋼波紋管周圍土壓力分布由大到小大致為測(cè)點(diǎn)1、7、4、2、3、5、6。

2 有限元對(duì)比分析

2.1 有限元模型

利用ABAQUS進(jìn)行有限元分析，采用均質(zhì)殼單元建立實(shí)際管涵模型，采用C3D8R單元作為土體的單元模型。對(duì)鋼波紋管涵模型及其周圍一定范圍內(nèi)的土體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元計(jì)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(duì)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(gè)方向的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)；對(duì)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(shí)采用生死單元進(jìn)行施工階段模擬，這樣可以很好地反映出填土每個(gè)階段的應(yīng)力及變形情況，分析工況與實(shí)際回填情況基本保持一致[16]。

為了與實(shí)際施工情況相符合，有限元模擬要擬定準(zhǔn)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(duì)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(gè)測(cè)區(qū)豎向、水平的變形及管頂垂直土壓力平均值分層來進(jìn)行對(duì)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(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)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(duì)比結(jié)果可知，管涵水平與豎向變形實(shí)測(cè)值與有限元模擬值基本一致，有限元結(jié)果相比實(shí)測(cè)結(jié)果偏小，但整體差別不大；從管頂土壓力對(duì)比可知，有限元計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(jì)算能夠和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jì)算能夠較好地反映現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)。

3 參數(shù)對(duì)鋼波紋管影響分析

3.1 地基土彈性模量

利用有限元計(jì)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(zhǎng)趨勢(shì)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(zhǎng)趨勢(shì)較為明顯，說明地基模量對(duì)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(shí)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(dǎo)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(shì)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(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)6)土壓力最小。這與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所得結(jié)果是一致的。

3.3 波紋管參數(shù)

通過有限元計(jì)算改變鋼波紋管涵的波高、波長(zhǎng)、壁厚，研究不同波紋管參數(shù)時(shí)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(zhǎng)范圍150～300 mm，波高范圍30～60 mm，壁厚范圍4～12 mm進(jìn)行有限元參數(shù)分析，得到波長(zhǎng)、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(zhǎng)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(shí)，隨著波長(zhǎng)的增加鋼波紋管涵截面的水平、豎向變形量均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但趨勢(shì)緩慢。隨著波長(zhǎng)的增加管涵頂部土壓力均減??；在波長(zhǎng)、壁厚等其他條件相同時(shí)，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(zhǎng)、波高等其他條件相同時(shí)，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(duì)變化趨勢(shì)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(yǔ)

本文依托延安北過境線改建工程，對(duì)鋼波紋管涵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及有限元計(jì)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(cè)點(diǎn)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(dāng)填土填至管頂后，隨著填土高度增加土壓力增長(zhǎng)趨勢(shì)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(jì)算所得結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基本保持一致，表明有限元計(jì)算能夠較好地反映現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)。

(5)管涵變形隨波長(zhǎng)增加而增大，隨波高、壁厚增加而減?。还茼斖翂毫﹄S波高、壁厚增加而增大，隨波長(zhǎng)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(duì)管涵變形無明顯影響，對(duì)管頂土壓力影響較大。