談公路鋼波紋管涵洞施工力學性能
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【摘要】為分析公路鋼波紋管涵洞在施工階段的受力與變形特性，文章選取公路中通用的混凝土蓋板涵洞和圬工拱涵洞，對比分析三類涵洞在施工階段中涵洞及路面的力學性能。建立三種涵洞的數(shù)值模型，分析各施工階段的應(yīng)力和變形值。通過對數(shù)據(jù)處理分析得出:鋼波紋管自身強度高，周圍土體結(jié)構(gòu)的變形主要有鋼波紋管承擔，鋼波紋管的應(yīng)力較大，但是由于鋼波紋管自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強，有效提高了路面平整度。
【關(guān)鍵詞】公路工程;鋼波紋管涵洞;數(shù)值模擬;施工過程;力學性能
涵洞作為連接公路工程兩側(cè)水系、交通的建筑結(jié)構(gòu)，在減小公路對于兩側(cè)環(huán)境的隔離方面起到重要的作用。目前公路工程中，應(yīng)用較多的涵洞材質(zhì)為鋼筋混凝土和圬工砌體［1］。涵洞建設(shè)趨于標準化，其設(shè)計和施工工藝已日益成熟。但是目前應(yīng)用較多的混凝土和漿砌塊石涵洞，主要有以下不足:對于基礎(chǔ)要求較高以避免不均勻沉降、漿體凝固需要一定的時間導(dǎo)致過程施工周期長、混凝土和漿體結(jié)構(gòu)易發(fā)生損傷導(dǎo)致交通不順暢、寒冷地區(qū)和沿海地區(qū)結(jié)構(gòu)凍漲腐蝕、以及運營時期的結(jié)構(gòu)養(yǎng)護等。鋼波紋管涵的出現(xiàn)彌補了這些不足，波紋管作為柔性結(jié)構(gòu)，有良好的變形協(xié)調(diào)性，整體性較強。在承受周圍土體作用時，自身的圓形截面形成一個穩(wěn)定的封閉區(qū)間，有較強的抵抗變形的能力，且各部分結(jié)構(gòu)構(gòu)造不存在應(yīng)力集中，避免局部結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致整體性能的喪失，因此在特殊地質(zhì)條件下也能正常使用，具有較為廣泛的應(yīng)用前景［2－4］。國內(nèi)外大量學者已對鋼波紋管的使用形式、受力特征、以及特殊地區(qū)的建設(shè)進行深入的研究［5］。本文結(jié)合具體工程，通過對比鋼波紋管涵洞與按照標準圖設(shè)計的混凝土蓋板涵洞、圬工拱涵的數(shù)值模擬，考慮施工階段，對比分析三類涵洞施工過程中的受力特征，為公路工程中鋼波紋管涵洞的應(yīng)用提供借鑒。
1涵洞工程概況
1．1鋼波紋管涵洞
鋼波紋管尺寸為:波距200mm，波高55mm，波峰波谷半徑53mm，厚度3mm，半徑r=0．85m，鋼波紋管材質(zhì)為Q235型號鋼。設(shè)計的鋼波紋管涵洞與路基布置如圖1、圖2所示。
1．2混凝土混凝土蓋板涵洞與漿砌塊石拱式涵洞
混凝土蓋板涵洞寬5．4m，高3．86m，涵洞長共59．43m，上覆蓋層厚度8．96m，涵身采用C30鋼筋混凝土，洞口部分采用5#漿砌片石。漿砌塊石拱式涵洞跨徑3m，總凈高4．8m，上覆蓋層厚度7．3m，涵洞水平通道長53．58m，涵身為7．5漿砌條石，洞口部分采用5#漿砌片石。
1．3安全評估方法
該安全評估主要采用有限元數(shù)值分析方法。數(shù)值模擬主要采用MidasGTS軟件建立路基－涵洞－道路三維結(jié) 構(gòu)模型，分析涵洞施工過程及通車后的應(yīng)力、變形是否滿足規(guī)范要求。數(shù)值模擬主要采用MidasGTS軟件進行分析。數(shù)值模擬的基本原則及基本假定如下:(1)數(shù)值模擬方法采用地層結(jié)構(gòu)法。巖土層視為各向同性理想彈－塑性材料，巖土層厚度按照勘察報告提交的巖體參數(shù)進行選取?；靥钔梁蜕百|(zhì)泥巖采用莫爾－庫倫本構(gòu)模型，漿砌塊石、水泥混凝土、瀝青混凝土和鋼波紋管結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型，(2)巖土層力學參數(shù)按照勘察報告提交的巖體參數(shù)及JTGD70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》中圍巖參數(shù)取值參考，并考慮到水、斷層和裂隙等不良地質(zhì)情況作了相應(yīng)折減后進行綜合確定。
1．4評估分析模型
(1)采用三維模型分析，按照道路走向與涵洞走向垂直建模。(2)模型計算范圍:模型的長寬取值依據(jù)為邊界范圍對涵洞開挖影響的統(tǒng)計規(guī)律，一般在兩側(cè)3倍涵洞跨后，邊界對洞室開挖幾乎沒有影響。同時該范圍要大于圍巖自然穩(wěn)定坡率寬度。(3)模型邊界條件:模型的水平方向邊界約束X、Y方向DE位移，底部邊界為約束其豎直方向位移，模型上部無約束。
1．5模擬計算過程
項目按照設(shè)計施工方法進行了該區(qū)段的開挖過程的全過程模擬，共計有4個計算步，對應(yīng)有3種工況，每個計算步代表一個開挖或者施工過程。具體模擬過程為:第1步:模擬初始應(yīng)力場。計算自重場，讀入自重場應(yīng)力文件，模擬開挖后路基結(jié)構(gòu)，保存施工前的初始應(yīng)力場。第2步:模擬涵洞施工過程。包括涵洞施工、回填土施工。第3步:模擬路面施工。第4步:施加車輛荷載，模擬車輛荷載作用下波紋管的受力情況。
2涵洞力學性能分析
分析三類涵洞在開挖、回填、路面施工及車輛荷載作用各施工階段時的應(yīng)力和變形，以及路面的變形和不平整度，對比分析不同類型涵洞的受力性能。
2．1漿砌塊石拱涵洞穩(wěn)定性分析
由數(shù)值模型分析得到漿砌塊石拱涵洞的位移和應(yīng)力云圖可以得出以下結(jié)論:(1)涵洞施工過程中，涵洞累積最大拉應(yīng)力為0．107MPa，累積最大壓應(yīng)力為3．401MPa，其位置為涵洞洞口處。(2)涵洞施工過程中，涵洞最大累計沉降差為6．09mm;最大累計水平位移差為9．799mm。(3)涵洞施工過程中，路面最大不平整度為0．58mm。
2．2混凝土蓋板涵洞穩(wěn)定性分析
由數(shù)值模型分析得到混凝土蓋板涵洞的位移及應(yīng)力云圖可得出一下結(jié)論:(1)涵洞施工過程中，涵洞累積最大拉應(yīng)力為0．17MPa，最大累積壓應(yīng)力為4．30MPa。(2)涵洞施工過程中，涵洞最大沉降增量為0．173mm，涵洞最大累計沉降差為5．5mm;最大水平位移累計差為0．46mm。(3)涵洞施工過程中，路路面最大不平整度為1．28mm。
2．3鋼波紋管涵洞穩(wěn)定性分析
鋼波紋管涵洞的位移及應(yīng)力如圖3～圖5所示。通過對波紋管施工過程中，波紋管的受力狀態(tài)進行分析，得出如下結(jié)論:(1)涵洞施工過程中，波紋管頂部底部位置處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為8．55MPa。(2)涵洞施工過程中，波紋管頂部位置處出現(xiàn)最大豎向位移，為0．189mm。(3)涵洞施工過程中，路面最大豎向位移為0．226mm。最大不平整度為0．19mm2．4涵洞力學性能對比分析分析三類涵洞施工的力學性能，可得其變形、應(yīng)力結(jié)果總結(jié)如表1所示。由表1可知，相比于漿砌塊石拱涵和混凝土蓋板涵洞，鋼波紋管涵洞的拉應(yīng)力較大，即鋼波紋管依靠自身剛度抵抗周圍土地的變形，使得道路的路面不平整度相較于拱涵降低了67．24%，相較于混凝度蓋板涵降低了85．16%。
3結(jié)論
通過建立數(shù)值模型，分析漿砌塊石拱式涵洞、混凝土蓋板涵洞和鋼波紋管涵洞的變形和受力，得出以下結(jié)論:(1)鋼波紋管相較于傳統(tǒng)的圬工材料波紋管，沉降量更小，有利于涵洞的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。(2)由于鋼波紋管自身強度高，周圍土體結(jié)構(gòu)的變形主要有鋼波紋管承擔，鋼波紋管的應(yīng)力較大，但是由于鋼波紋管自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性強，有效的降低了路面不平整度。
參考文獻
［1］烏延玲，馮忠居，王彥志，等．鋼波紋管涵洞受力與變形特性現(xiàn)場試驗分析［J］．西安建筑科技大學學報:自然科學版，2011，43(4):513－516．
［2］李祝龍，章金釗．高原多年凍土地區(qū)波紋管涵應(yīng)用技術(shù)研究［J］．公路，2000(2):28－31．
［3］李祝龍．公路鋼波紋管涵洞設(shè)計與施工技術(shù)［M］．北京:人民交通出版社，2007．
［4］褚夫蛟，曾水生，方文富，等．高填方大直徑鋼波紋管涵洞力學特性［J］．東北大學學報:自然科學版，2016(37):1338－1342．
［5］烏延玲．公路鋼波紋管涵洞受力與變形特性及應(yīng)用研究［D］．西安:長安大學，2012．
作者：孫軍 杜玉生 單位：中國路橋工程有限責任公司
