公路钢波纹管涵洞设计内容

明 艳

(衡水公路工程总公司)

1 公路钢波纹管涵洞设计要求

(1)公路钢波纹管涵孔径的设计必须保证设计洪水以内的各级洪水及流冰、泥石流、漂流物等安全通过，并应考虑壅水、冲刷对上下游的影响，确保桥涵附近路堤的稳定。

(2)钢波纹管涵孔径的设计应考虑上下游已建或拟建桥涵和水工建筑物的状况及其对河床演变的影响。

(3)钢波纹管涵孔径设计尚应注意河床地形，不宜过分压缩河道、改变水流的天然状态。

(4)小桥、涵洞的孔径，应根据设计洪水流量、河床地质、河床和锥坡加固形式等条件确定。当小桥、涵洞的上游条件许可积水时，依暴雨径流计算的流量可考虑减少，但减少的流量不宜大于总流量的1/4。

(5)涵洞宜设计为无压力式的。无压力式涵洞内顶点至洞内设计洪水频率标准水位的净高应符合的规定。

(6)计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下30°角分布。当几个车轮的压力扩散线相重叠时，扩散面积以最外边的扩散线为准。

2 公路钢波纹管涵洞的适用条件

2.1 适应范围

从国外钢波纹管涵洞的应用及防腐调研情况看，钢波纹管涵洞具有较强的适应能力，经过防腐处理后的钢波纹管涵洞完全能够使用50年。综合分析现有国内防腐技术，虽然距离国外防腐技术存在一定差距，但采用防腐方案后的钢波纹管涵洞的寿命应达到20～30年。如果考虑钢波纹管涵洞防腐的养护(大修、二次防腐)、设计腐蚀富余量(厚度)的安全系数，钢波纹管涵洞的耐腐蚀寿命也可达到50年(或以上)。

从公路的寿命周期和服务水平的变化看，涵洞服务年限达到50年时完全能满足一般公路的需求，所以钢波纹管涵洞完全可以适合一般公路。

对特殊岩土地区，如多年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等地区，一般情况下钢筋混凝土圆管涵或盖板涵在使用过程中均出现不同程度的损坏，较严重的病害为地基或基础不均匀沉降导致涵洞破坏。这些地区钢筋混凝土圆管涵或盖板涵的使用寿命有时低于20年。而应用钢波纹管涵洞则完全可以解决因地基变形导致的涵洞破坏，同时可以减小路面因地基沉降引起的应力集中。所以，钢波纹管涵洞在上述地区更具优越性。涵管为柔性结构，有利于改善软土地基结构物与路堤交界处的“错台现象”，提高行车的舒适度与安全性。

2.2 适用条件

从国内外钢波纹管涵洞的使用情况及其受力特征、防腐分析看，应用钢波纹管涵洞必须满足以下条件：

(1)相应波形必须具有满足足够的壁厚，确保钢波纹管结构在受荷时最大应力低于钢结构的容许应力(或屈服应力)。

(2)钢波纹管的防腐处理必须不低于一定的要求，以确保一定年限内钢波纹管涵洞具有足够的耐腐蚀能力;钢板壁厚应适当考虑防腐富余量。

(3)钢波纹管应能够承受标准荷载引起的变形，不致产生非线性破坏，且不影响其上结构层的功能。

对高速公路等路面变形要求较高且涵顶填土高度较小时，应根据涵洞孔径合理选用相应的波形和壁厚，以控制荷载作用下涵管变形不致路面底部的变形过大;也可根据变形状况控制涵顶填土高度及其他设计参数。

2.3 选用原则

公路钢波纹管涵洞的选用必须遵循适用、安全、经济的原则，在满足功能需求基础上充分发挥钢波纹管结构的力学性能优势。公路钢波纹管涵洞设计时应坚持因地制宜、发挥优势、不盲目使用的原则。设计中除应充分考虑工程项目的基本特征，包括公路等级、重要性程度、地形地貌、不良地质状况、路基修筑等等方面之外，还应考虑下列因素：施工条件和便利性;养护条件;二次防腐。下列地区宜优先考虑钢波纹管涵洞。

(1)不良岩土地基的涵洞，包括多年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等;

(2)人力资源缺乏或高危险、高原缺氧地区等工程;

(3)砂石资源缺乏地区，水泥、钢材等运距较远的边远地区;

(4)为加快施工进度、达到快速通车目的的应急抢险、救灾等工程。

下列情况使用时应慎重使用。

(1)高速公路重要路段或维护困难路段。钢波纹管涵洞为钢结构，必然存在腐蚀的威胁，高速公路对路基和涵洞的寿命周期要求较高，因此必须考虑防腐养护，在养护管理困难路段应慎重使用。由于钢波纹管涵洞存在一定的使用寿命周期，在高速公路的一些重要路段应慎重考虑其服务寿命或改建的便利等。

(2)泥石流堆积扇或排泄砂石流量大、流速高的区段。这些区段泥砂或砂石的冲刷将形成对防腐材料或钢结构的磨蚀，设计时应予以重视，必要时应针对具体情况进行防腐独立设计;局部区段可能存在淤积等，采用钢波纹管涵洞应考虑该问题。

(3)高填土路段。高填路段，应根据施工工艺及施工后路堤不同土拱效应进行计算分析，确保涵洞受力安全。

(4)孔径较大或截面非圆形时。一般钢波纹管涵洞孔径小于2.5m，当大于2.5m时应进行独立计算分析，确保涵洞受力安全。大孔径涵洞采用拼装式施工时尤其要加强连接部位的设计分析。异型截面钢波纹涵洞和小桥，由于其受力特征与圆形截面截然不同，应进行独立分析，确保安全使用。

2.4 钢波纹管涵洞的效益分析

(1)钢波纹管涵洞的经济效益

由于建筑材料(主要为水泥、砂、石料)及人工单价、运距等的差异，部分地区(特别是边远地区及水泥、砂、石料缺少地区)的钢波纹管涵洞的实际造价低于钢筋混凝土盖板涵。就青藏公路来说，每道波纹管涵工程造价比同样孔径的钢筋混凝土盖板涵低4万多元。

由于目前生产钢波纹管涵洞的厂家多为转产型，生产规模不大，加工费用高，运输费用也相对较高。如从上海、南京、无锡等地运送钢波纹管涵洞，运费有时占总造价的l/3左右。随着钢波纹管涵洞的推广应用和市场的有序开放以及生产的规模化，钢波纹管涵洞的单价将逐渐降低。

从施工期看，一般钢波纹管涵洞施工期仅为3～5 d，相比钢筋混凝土盖板涵、箱涵，节省工期1个多月，社会经济效益明显。在多年冻土及寒区，节省工期不仅可以降低成本，而且可以相对延长施工季节，加快工程总进度。多年冻土地区，节省工期还可以大幅度减少因施工引起的传热，减少多年冻土的热干扰。

随着国内钢波纹管涵洞的广泛应用，关于波形和壁厚优化的研究将逐步深入，优化后的波形可以采用相对较薄的钢结构适应相同的填土及汽车荷载标准。相应地，钢波纹管涵洞壁厚的减薄及波形的减小，可以减少用钢量，降低造价。

(2)钢波纹管涵洞的社会效益

相对于钢筋混凝土圆管涵和盖板涵，钢波纹管涵洞的应用，一方面节约了大量的石材、水泥，有利于环保;另一方面建设工期可以大幅度缩短，不仅加快了建设步伐，充分体现了建设工期缩短及相对运营时间增加的经济效应，特别是在局部地区如寒冷地区一年中施工期仅5～6个月，这样应用钢波纹管涵洞更具有明显的优势。在抢险、保通工程中应用钢波纹管涵洞更能体现其明显的社会效应和经济效益。