沟埋式公路钢波纹管涵力学性能分析与测试

张建国，李永胜，杨 波，陈 旭

(1.中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065； 2.延安市公路勘察设计院，陕西 延安 716000)

0 引 言

钢波纹管是由碳钢板经冷成型加工而成的管壁带有波形截面并且管体表面经耐腐蚀处理的金属管道状结构物，其钢材具有较高强度且变形大，波纹的存在使其具有环向刚度和轴向柔性的特性，能对结构横向位移进行补偿[1]，构成性能优越的钢-土结构体。随着钢波纹管涵在工程上的应用越来越广泛，其受力性能受到了很多学者的关注.

美国铁路工程协会提出荷载应力环分散的概念，初步揭示了上部荷载作用下钢波纹管涵洞的作用机理；Duncan[2]提出结构-土体相互作用设计计算方法，利用有限元分析得出的图表与公式来进行设计；K.M. El-Sawy[3]、蒋雪梅[4]等通过对钢波纹管涵洞进行三维有限元计算，得出有限元分析结果，对比发现与现场试验结果基本一致；李凌宜[5]等通过建立钢波纹管有限元模型，得出在车辆及填土影响下管周应变最大的位置；唐赛[6]等利用Ansys软件建立模型，对比分析了单层钢波纹管涵与双层注浆钢波纹管涵的受力变形规律；季文玉[7]通过理论分析、数值分析、现场试验这3个方面的分析，对钢波纹管力学性质进行研究，得出钢波纹管变形和应力计算公式；冯忠居[8]等通过室内试验，在涵洞断面布设应变片，对管涵洞的力学特性及管周土压力变化规律进行了研究；乌延玲[9]、杨露[10]、张红宇[11]等通过现场试验，研究了钢波纹管涵在填土过程中的受力与变形特性；彭立[12]等通过现场测试和有限元分析，探讨了波纹管参数、填土高度、土体弹模等参数对钢波纹管涵应力和变形的影响；胡小兵[13]等对比分析了高路堤钢波纹管涵与钢筋混凝土拱涵的土压力，总结出一般规律；周义雄[14]等总结分析了钢波纹管涵在公路工程中的优势及其应用；魏瑞[15]等通过考虑管涵侧向土体压缩变形与管涵自身的竖向收敛变形之差,推导出管涵垂直土压力的计算公式，并依托实际工程借助现场试验验证计算公式。

目前关于钢波纹管涵的研究已取得不少成果，但在波形参数对钢波纹管涵的影响方面的研究总结较少，不方便直接指导现场施工。本文结合依托工程，对沟埋式公路钢波纹管涵进行现场测试，并通过有限元计算与现场测试结果进行对比分析，研究探讨钢波纹管涵的力学性能。同时通过有限元计算改变参数对管涵的受力及变形的影响，详细分析了波长、波高、壁厚对钢波纹管涵的影响，为实际管涵施工设计提供一定的参考。

1 现场测试

1.1 试验概况

本文依托于延安市北过境线改扩建工程，对钢波纹管涵洞进行现场试验。

为了观测钢波纹管在分层填土过程中的应变规律、水平向和竖向变形规律以及管涵周围土压力变化规律，现场试验选取超车道与行车道分界线为试验断面，在试验断面布设钢波纹管应变、变形测点，在管涵周围埋设土压力盒。

由于断面左右两侧应变基本相同，故只需选取试验断面一半作为应变测试区。以钢波纹管涵内的顶部为0° 测点，此后以顺时针方向每隔30° 布置1个应变测点直至管底，共布设7个测点，从管顶至管底编号依次为测点1～7。同样，对于钢波纹管圆周土压力，内部沿顺时针设置7个测点。对于断面变形，在波纹管内部截面布置水平方向和竖直方向收敛计。测点布置如图1所示。

图1 测试截面测点布置

其中，应变片型号为BFH120-3AA，布设好应变片后用TDS-530静态数据采集仪进行采集；收敛计型号为YH02-J20，采用YH50-A01型通用读数仪对变形进行采集；土压力盒型号为YH03-G06型振弦式，用万能读数仪对土压力数据进行采集。

1.2 试验结果及分析

把初始工况1定义为钢波纹管两侧填土回填开始，此后填土经分层压实后高度不断增加，把填土过程共分为17个不同高度的工况，以此测试管涵在不同工况下的应变、变形及土压力变化规律。工况对应填土高度如表1所示，工况13时填土高度已超过管顶。

表1 上覆填土施工工况

1.2.1 管涵应变测试

为了研究管涵内部切向应变规律，通过切向应变片采集数据，绘制试验断面内部切向应变规律如图2所示。

图2 钢波纹管内部切向应变规律

由图2可知：各个测点的切向应变没有显示出明显的规律，总体趋势是先增大后减小，在工况11时切应变达到最大值；断面大多数切向应变测点处于受拉状态(应变符号：受拉为“+”，受压为“-”)，填土完成后，波纹管涵的波峰、波谷切向应变测点最大值均出现在管顶测点1，最小值均出现在测点4；填土完成后，波峰测点切向应变大于波谷测点的切向应变值。波峰测点均处于受拉状态，波谷测点4处于受压状态，其余测点均处于受拉状态。

1.2.2 管涵变形测试

采用收敛计记录管涵随填土的变形，管涵截面水平及竖向变形随填土增加的规律如图3所示。

图3 钢波纹管涵变形规律

由图3可以看出：随着钢波纹管涵侧填土回填，钢波纹管涵断面水平向、竖向变形都呈现变大趋势。管侧填土初期，波纹管受到两侧土压力挤压作用，产生向上的竖向位移，且竖向位移随着填土高度增加而增大，当填土到管顶时竖向位移变形达到最大。从工况13开始钢波纹管涵竖向和水平向变形减小，这主要是由于填土已覆盖至管涵顶部，管顶承受的荷载逐渐增大，从而导致钢波纹管在水平和竖向上都受到压缩。

1.2.3 管涵土压力测试

利用在试验断面周围埋设的土压力盒，监测试验断面随填土高度增加周围的土压力变化规律，测试结果如图4所示。

图4 断面测点土压力变化

由图4可以看出：在填土初始阶段，随着填土高度的增加，土压力变化增长缓慢，当填土填至管顶高度后，土压力增长迅速。其中测点1的土压力最大，测点6土压力最小，这主要是由于钢波纹管下部楔形体不易被夯实，导致下部土压力较小，而管侧由于土-钢相互作用的存在，土压力会减小。钢波纹管周围土压力分布由大到小大致为测点1、7、4、2、3、5、6。

2 有限元对比分析

2.1 有限元模型

利用ABAQUS进行有限元分析，采用均质壳单元建立实际管涵模型，采用C3D8R单元作为土体的单元模型。对钢波纹管涵模型及其周围一定范围内的土体进行网格划分，划分后的有限元计算模型如图5所示。

图5 钢波纹管涵有限元模型网格划分

对于地基模型，其底部采用固定约束，限制地基地面X、Y、Z三个方向的位移及转动；对于管侧土体模型，限制其水平向位移，不固定其竖向位移。同时采用生死单元进行施工阶段模拟，这样可以很好地反映出填土每个阶段的应力及变形情况，分析工况与实际回填情况基本保持一致[16]。

为了与实际施工情况相符合，有限元模拟要拟定准确的参数，根据依托工程提供资料，选择填土、地基土、钢波纹管的物理参数如表2所示。

表2 钢波纹管与土体参数

2.2 有限元分析结果及对比

由于施工过程的间断性，管涵的应力变化可能不连续。因此选取2个测区竖向、水平的变形及管顶垂直土压力平均值分层来进行对比分析，填土有限元模型位移云图如图6所示。

图6 填土完成后竖向位移云图

图7 有限元计算与现场实测结果对比

由图6可以看出：管涵顶部填土位移小于管涵侧部填土竖向位移，由管涵变形对比结果可知，管涵水平与竖向变形实测值与有限元模拟值基本一致，有限元结果相比实测结果偏小，但整体差别不大；从管顶土压力对比可知，有限元计算结果和现场实测土压力值能够较好地吻合。

综上所述，通过有限元模拟管涵分层填土过程，发现有限元计算能够和现场试验在管涵变形及周围土压力方面较好地吻合，表明建立的有限元模型在精度上能够满足工程要求，有限元计算能够较好地反映现场施工状态。

3 参数对钢波纹管影响分析

3.1 地基土弹性模量

利用有限元计算将地基模量从10 MPa增加到50 MPa，研究钢波纹管涵顶垂直土压力、变形规律，如图8所示。

图8 地基弹性模量与管涵变形、管顶土压力关系图

由图8可以看出，随着土体地基模量的增加，钢波纹管涵竖向和水平向变形都逐渐增大，但增长趋势不大；管涵顶部垂直土压力随着地基模量的增大而增大，且增长趋势较为明显，说明地基模量对管涵顶部垂直土压力影响较大。

3.2 填土高度

通过改变钢波纹管涵上部填土高度，研究钢波纹管涵竖向和水平方向的变形规律及管涵周围土压力变化规律，如图9所示。

图9 填土高度与管涵变形、土压力关系

由图9可以看出，在填土回填过程中，管涵先受到侧面土体的挤压，此时管涵竖向处于受拉状态。随着填土高度不断增加，管涵顶部所受荷载越来越大，导致管涵竖向受到压缩，使水平向处于受拉状态；管涵周围土压力随着填土高度增加逐渐增大，管涵上部与管底土压力变化趋势较大，管涵顶部土压力最大，管底土压力仅次于管涵顶部土压力，在管涵下部接近管底土压力测点(测点6)土压力最小。这与现场试验所得结果是一致的。

3.3 波纹管参数

通过有限元计算改变钢波纹管涵的波高、波长、壁厚，研究不同波纹管参数时其发生的变形与所受土压力的变化规律。分别选取波长范围150～300 mm，波高范围30～60 mm，壁厚范围4～12 mm进行有限元参数分析，得到波长、波高和壁厚与管涵变形、管顶土压力的关系如图10～12所示。

图10 波长与管涵变形、管顶土压力关系

图11 波高与管涵变形、管顶土压力关系

图12 壁厚与管涵变形、管顶土压力关系

由图10～12可知：在波高、壁厚等其他条件相同时，随着波长的增加钢波纹管涵截面的水平、竖向变形量均呈增长趋势，但趋势缓慢。随着波长的增加管涵顶部土压力均减小；在波长、壁厚等其他条件相同时，随着波高的增加，钢波纹管涵截面竖向和水平方向的位移逐渐减小，管涵顶部的土压力逐渐增大；在波长、波高等其他条件相同时，随着钢波纹管涵厚度的增加，截面水平和竖向变形逐渐减小，管顶垂直土压力逐渐增大，其中钢波纹管厚度由4 mm增加到8 mm过程中，管顶土压力和变形相对变化趋势较大；厚度由8 mm增加至12 mm过程中，波纹管涵管顶土压力和变形受到厚度影响较小。

4 结 语

本文依托延安北过境线改建工程，对钢波纹管涵进行现场测试及有限元计算，研究其受力性能，得到结论如下。

(1)钢波纹管涵断面切应变与填土高度无明显规律，测点大多处于受拉状态；填土完成后，管顶切应变最大，且波峰切应变大于波谷。

(2)施工填土初期，管涵先产生竖向拱起，管涵整体呈竖向椭圆形；回填至管顶后，随着管顶荷载继续增加，管涵截面整体变为横向椭圆形。

(3)在填土初期，随着填土高度增加，土压力缓慢增大，当填土填至管顶后，随着填土高度增加土压力增长趋势变大，且管顶处土压力最大。

(4)管涵变形与管顶土压力有限元计算所得结果与现场试验基本保持一致，表明有限元计算能够较好地反映现场施工状态。

(5)管涵变形随波长增加而增大，随波高、壁厚增加而减小；管顶土压力随波高、壁厚增加而增大，随波长增加而减小。管涵变形和管顶土压力均随地基弹性模量增加而增大，但地基弹性模量对管涵变形无明显影响，对管顶土压力影响较大。