钢板波纹管涵设计与施工探析

2013-10-16姜明坤

黑龙江交通科技 2013年4期

关键词：涵洞波纹波纹管

姜明坤，倪玲

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司)

1 工程及设计概况

1.1 工程技术指标

涵洞孔径:0.5～8.0 m，涵洞交角:0°～45°，设计荷载:公路-Ⅰ级、公路-Ⅱ级，地震动峰值加速度系数:0.10 g，地基的容许承载力为:180 kPa以上，填土容重为:γ=19 kN/m3，钢波纹管的设计使用寿命可以达到100年。

1.2 工程设计计算的关键

(1)假设土体和波纹管均为弹性体。

(2)活载计算理论:采用角度分布法计算，不考虑存在于涵洞顶土柱和周围填土间的摩擦力，运用半无限弹性体理论，进行核算。

(3)计算埋置式波纹管，要考虑波纹钢板管与土体之间的共同作用。假设在界面上土体和波纹管没有滑移，通过共同的节点位移，实现它们之间的相互作用。当波纹管的柔度达到一定的数值后，稳定问题成为关键性的因素。因此，要根据当前坐标来建立平衡方程，采用几何非线性的分析方法，考虑第二类稳定问题。有限元程序:可以采用大型通用有限元程序进行计算，如ANSYS等。

(4)暗涵的公路-Ⅰ级和公路-Ⅱ级在荷载的计算上面，所采用的规范是同一套。

(5)土重:按土柱重理论计算，土容重19 kN/m3，内摩擦角 φ =30°。

1.3 工程设计构造的关键

(1)对于大跨径波纹管为分片拼装，而小跨径波纹管则采用法兰螺栓连接、整管节拼装，它是圆形整体管。

(2)洞口形式有两种，分别是倾斜式与八字式。当采用倾斜式时，应保证路基边坡稳定;当采用八字式时，要保证洞口水流条件较好，这样其造价也会较低。

(3)钢板波纹管加工后须采用镀锌钢板加工，采用热镀锌等进行防腐处理，需要注意的是在加工后必须进行二次处理。

(4)整体管连接法兰采用角钢、钢板制作，波纹板焊接采用对焊接头。整体管与分片拼装管的紧固件采用国标中的标准紧固件，其强度和规格应满足力学要求，且不低于管材强度要求。垫片与紧固件相配。螺栓与螺母均采用热浸镀锌处理。

(5)管壁及配套附件均经过热浸镀锌处理，保证管壁厚度比正常使用情况下管壁厚度增加0.5 mm，而镀锌层的平均厚度要大于84 μm。涵管要涂涮两遍沥青才能运至施工现场后。

(6)密封材料采用方形的橡胶密封圈或方形石棉盘根密封条，这种材料耐久性能较好。

(7)基础构造:上层采用级配砂砾，下层采用级配良好的粗砂。

语言分析与应用中，不同的人其表达方法与方式不同，但一定程度上，语言应用与作品意境解析能力，是个体文学修养的充分反映。例如经常讲到的，文学修养高的人，秋天夕阳下，看到湖边的鸟，其可能会讲到“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的意境深远的经典诗句；如果没有文学修养，那么其也就只能有“好多鸟啊，好漂亮的风景啊”的表达。两者之间的差距是非常明显的，因而语言应用与意境解析，是个人文学修养的全面体现。

2 力学模型及结构设计原理

2.1 有限元模型

为了分析复杂的结构系统，通过对分析对象的离散后集成，运用有限元的方法，自由处理各种复杂形状、任意荷载分布、特殊边界条件等等。该方法是近些年才发展起来的现代力学手段，已经成为现代工程应用的强大工具，能够满足计算机能力的不断发展。对于埋置式波纹管的计算，关键就是要加强对波纹钢板管与土体的共同作用的考虑。假定波纹管和土体在界面上没有滑移，它们之间的相互作用通过共同的节点位移实现。

可以采用两种计算模式来分析，分别是空间有限元模型和平面有限元模型。

2.2 空间有限元模型

对于钢质椭圆形波纹板涵管，要根据波纹板的实际形状，采用空间壳单元模拟，来建立空间几何模型。

涵洞外围土体要保证与波纹板的接触面形状与波纹板一致，采用三维实体单元。

有关的材料常数参照下面的平面有限元模型。

2.3 平面有限元模型

(1)波纹管的简化

图1，图2为波纹钢板构件。波纹钢板管由波纹钢板构件构成，用高强螺栓连接。

波纹钢板管简化为梁单元，对于波纹间距200 mm，波纹中心高度55 mm的波纹，钢材弹性模量Es取2.1×105MPa。

图1 波纹钢板构件

图2 波纹钢板构件

(2)土体的计算模型及参数选取

土体假设为空间弹性体，服从于虎克定律。其弹性性质用土体的弹性模量E0和泊松比μ来表征。

土的容重γ=1.8 t/m3

土的内摩擦角φ=30°

土的泊松比μ=0.25

土的弹性模量E0=30 MPa

3 钢板波纹管涵施工工艺

3.1 施工工艺流程

钢板波纹管涵的施工工艺流程有十九部分，分别是:施工前准备→施工放样→设置围堰→排水清淤→平整场地→基础分层回填→检测含水量、压实度等→水准测量→平整场地→施工放样→拼装管节(板片)→检测密水情况及管底纵坡→检测并涂刷防腐涂层→涵管就位→两侧分层回填→检测含水量、压实度等→管顶分层回填→检测含水量、压实度等→进出口处理。

涵管在安装前，要均匀铺设7～15 cm的砂垫层于基础顶部，并按图纸要求，进行拼装波纹板或钢波纹管节。

要根据实际情况，连接安装波纹管涵洞，同时对其进行排放。当涵洞两侧的入、出口有相同的路基坡度斜率时，可以先安装中间管段，留出的水入口和出口的位置。待中间管部分完全安装完成后，再安装和校正入口和出口。安装时，要逐根排放，从一侧开始安装，使得它的中心线和基础纵向中心线平行，相同的方法将第二根管安装到位。当相邻的两个管法兰间相距3～5 cm的距离之间时，从第二节管的另一端用撬杠撬动管节，用小撬棍对准凸缘法兰上的螺栓孔，穿上所有的螺栓，拧紧螺丝，平扣，逐节依次连接，这样能使管体纵向平移到两个凸缘法兰间距2 cm左右。

垫石棉垫:严格根据现场地形等方面的实际情况，当管子顶部两法兰间距较大，石棉垫镶嵌困难时，要使用绑线，将石棉垫固定在螺栓上，然后对称拧紧螺丝，这是由工人开始的。当相邻两法兰之间间距较小时，通过使用锤子、凿子，把两者之间的法兰扩大到1 cm的缝隙，然后再用螺丝刀把石棉垫卡在中间。直到从外面看只有2～5 mm的间隙。管壁内外涂沥青:乳化沥青或热沥青，通过外观观察，里面和外面涂抹均匀的沥青。通常沥青涂层厚度达到0.3～1 mm。为了保证中心和设计的中心线重合，要用千斤顶校正整个涵洞管。

拼装型钢波纹管安装步骤。拼装型波纹管根据截面形状的不同可分为非闭合截面波纹管和闭合截面波纹管。

其中非闭合截面波纹管拼装侧板要由两侧向上顺次拼装半环形圈，它是以混凝土立墙涵洞中心的预埋件上螺栓孔为基准，以此为起点向两侧延伸，定位第一张波纹板，直至二端。

而闭合截面波纹管要由下向上顺次拼装环形圈。圆周向连接采用阶梯形，搭接部分上板复盖下板，也就是保证上面二块板的连接叠缝与下面二块板的叠缝错位，当连接孔对正以后，再用螺栓由内向外插入孔位，用套筒扳手预紧螺母。

3.2 安装中其他注意事项

在安装中，为了避免受水位升高等浮力影响，应采取锚固设施，这样不仅能够减少水位升高的影响，还能防止管在回填中上浮。如果在施工过程中，现场环境对钢波纹管涵有腐蚀，这时就应采取增涂保护膜或增加管壁厚度等措施。管径大于3 m的钢波纹管，如钢波纹管两端洞口为一字墙形式，应将洞口采用钢筋混凝土加强。如波纹管涵的涵底纵坡大于5%，应采用必要的防滑移措施。如使用地区山区冲涮严重，可在管内壁下方弧长2/3处采用混凝土护壁。

地基为软基时，一定要进行特殊处理，尽可能设置比较大的预拱度。因南方雨水多，涵管回填材料必须采用透水性好的级配砂砾或级配碎石。涵管回填遇到分幅施工时，接头处的回填质量要特别控制。如遇到在管体修临时便道时，尽可能设在上下游洞口处，其他处回填完工后，便道及虚填部分要进行开挖，重新回填密实。洞口端墙基础及截水墙埋置深度要符合设计要求，否则会导致地基渗水，引起地基沉降。