大孔径钢波纹管涵洞受力特征及施工工艺

罗学睿，胡 滨,2，何 强

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2.西安中交土木科技有限公司，陕西 西安 710075；3.西安工业大学，陕西 西安 710021）

引言

钢波纹管结构最早在英国的公路排水、通道工程中应用，后在美国、加拿大大量推广。美国一些机构主要在其防腐方面进行了大量调研及试验研究，总结了防腐研究成果及应用工程的施工工艺，形成了相关的设计手册或施工技术规范。日本和韩国借鉴美国经验，进行了钢波纹管涵洞结构的探索，获得了成功并取得了一些成果，也形成了相应的标准［1-5］。另外，一些非洲国家也进行了小孔径的应用，取得了成功。我国于1997 年首次在青藏公路中应用钢波纹管结构，后逐渐推广应用。近年来，国内对钢波纹管涵洞研究进一步深入，形成了一些行业标准、团体标准和地方标准［6-7］。国内学者虽然对其进行了一定试验和分析，但关于其施工过程中受力情况的现场测试及分析的研究较少，也没有形成系统的施工工艺［8-9］，因此，有必要对大孔径钢波纹管涵洞受力特征和施工工艺进行分析。

1 试验方案

山西离隰高速由于多山地形的影响，全线多采用钢波纹管涵洞。依托工程为孔径4.0 m 的钢波纹管涵洞，所用材料为Q355 钢材，采用工厂标准化生产，并进行镀锌防腐，运输至现场后采用乳化沥青进行二次防腐。管顶上填土为素土，高度6.0 m。

1.1 管内应变布置方案

管内应变片布置时应选择路中位置的波峰、波谷和波侧断面，按照不同角度进行布置，共计15 个测点，见图1、图2。

图1 应变片布置断面/（°）

图2 应变片布设平面

1.2 现场测试工况

钢波纹管涵洞管顶以上采用分层进行填筑，压路机进行充分振动压实后远离钢波纹管20.0 m 以外并停止作业，然后采集数据，见表1。

表1 现场测试工况

2 钢波纹管涵洞应变变化规律分析

2.1 波峰应变随填土高度变化测试结果

波峰应变随填土高度增加测试结果，见图3。

图3 波峰应变随填土高度增加测试结果

由图3 可以得出：（1）整个施工过程中（管顶填土0.5 ～6.0 m），初期1.0 m 以内，各角度测试点均为拉应变；填土2.0 m时，管周45°、90°为压应变；当填土后期时（管顶5.0 ～6.0 m），由于机械的进一步压实，拉应变和压应变值变化均较为平稳，略微有大。（2）管顶0°、管底180°与管周135°在整个施工过程中均为拉应变，但三者的增长幅度不同，其应变值关系为管周135°＞管底180°＞管顶0°；管周45°和管侧90°在施工开始时为拉应变，后由于施工机械进一步压实管顶土层，转为压应变。（3）总体上，钢波纹管上半圆和下半圆均是45°为最大应变值，施工时应进行重点观测。（4）管顶填土1 m 范围内，部分角度应变值存在交替变化的情况，可能是小型夯实机施工过程中对钢波纹管有一定的扰动。

2.2 波谷应变随填土高度变化测试结果

波谷应变随填土高度增加测试结果，见图4。

图4 波谷应变随填土高度增加测试结果

由图4 可以得出：（1）初始管顶填土1.0 m 以内，不同测点的应变值都为拉应变，仅大小不同；当管顶填土增加到2.0 m 时，管周45°和管侧90°仍为拉应变，但管顶0°、管底180°和管周135°转化为压应变，后随着管顶填土高度的增加而增大；后期5.0～6.0 m时，各个不同角度应变值变化略小。（2）与波峰变化规律正好相反：管周45°和管侧90°为拉应变，且应变值大小为：管周45°＞管侧90°。管顶0°、管底180°和管周135°为压应变，且管周135°应变值随填土高度的增长率最大，应变关系为管周135°＞管底180°＞管顶0°。（3）最大拉、压应变分别在管周45°和管周135°处；均为上半圆管和下半圆管的45°位置。

2.3 波侧应变随填土高度变化测试结果

波侧应变随填土高度增加测试结果，见图5。

图5 波侧应变随填土高度增加测试结果

由图5 可得：（1）波侧应变规律与波峰、波谷具有相似性，管周135°和管底180°在管顶填土中均为压应变。（2）2.0 m 时，管周45°、90°和0°为压应变，并逐渐增大。（3）填土后期各角度应变值趋于平稳。

2.4 应变随填土高度变化的测试结果对比

对比图3 ～图5，可以得出：（1）管顶填土2.0 m范围内，部分角度应变值性质（拉应变或压应变）存在交替变化的情况，产生力的重新分布，因此，应做好机械与人力的配合。（2）波峰、波谷和波侧在1.0 m 时呈现出拉应变，进一步施工，部分角度应变值发生变化，应变性质出现变化（由拉应变转为压应变）；填土后期（管顶+5.0 m 至管顶+6.0 m），各角度应变增加较小，增长趋于平缓。（3）由于钢波纹管波纹的存在，在土的荷载作用下，波峰和波谷同应变值在同一角度正好相反，两者具有互补性，有利于钢波纹管的整体受力更加均匀，结构更加稳固。（4）波峰、波侧在钢波纹管侧135°为最大拉应变，最大压应变位于管侧45°，而波谷相反。填土荷载过程中钢波纹管最大受力均出现在上半圆或下半圆的45°。（5）比较波峰、波谷和波侧，其中最大拉应变出现在钢波纹管波峰的管周315°处，应变为143με；最大压应变出现在波谷位置的管周315°角度，为105με，均小于钢波纹管的允许应变值，结构安全稳定。

2.5 波峰应变沿管周角度的变化规律

波峰应变沿管周角度的变化规律，见图6。

图6 波峰应变沿管周角度的变化规律

由图6 可以得出：（1）管顶0°不同角度测试结果均为拉应变，而管周45°部分从开始的拉应变变为压应变，后90°逐渐减小，135°又变为拉应变，后180°处变小。（2）管周45°和135°位置都发生了应力集中，施工时为确保结构稳定，应进行必要的观测。（3）随着角度的转变，应变变化为拉应变→压应变→拉应变。

2.6 波谷应变沿管周角度的变化规律

波谷应变沿管周角度的变化规律，见图7。

图7 波谷应变沿管周角度的变化规律

由图7 可以得出：波谷管顶0°各角度呈现出压应变，角度45°变化为拉应变，角度90°变小，而角度135°转变成压应变，且至角度180°压应变减小。随着角度转变，规律为：压应变→拉应变→压应变。

2.7 波侧应变沿管周角度的变化规律

波侧应变沿管周角度的变化规律，见图8。

图8 波侧应变沿管周角度的变化规律

2.8 应变沿管周角度变化测试结果对比

通过图6 ～图8 对比分析，可以得出：（1）随着角度的变化，波峰和波侧存在拉应变→压应变→拉应变的变化过程；而波谷正好相反。（2）波峰、波谷的应变值相比波侧较大，均在管周45°和管周135°出现了应力的集中现象，为确保结构稳定，应进行施工监测。

3 钢波纹管涵洞施工要点

3.1 基础施工要点

（1）钢波纹管涵洞基础为较差的地质时（如软土、冻土等），应采用砂砾等材料进行换填。（2）高填方路基应在基础上进行预拱度的设计，结合路基高度、涵长等综合因素进行取值。

3.2 拼装施工要点

（1）钢波纹管涵洞安装前应对照图纸复核涵底标高、中心轴线、两侧边线和纵坡，确保准确无误。（2）钢波纹管应先拼接成圆环，后轴向错位拼接。拼接圆环首先安装底下第一片板片，然后两侧对称由下向上进行拼接。拼装时两个板片孔位应对齐，螺栓套上垫片由内向外穿过孔位，后螺帽进行拧固。（3）防止雨水等通过板片缝隙流入钢波纹管内部，两片波纹板拼接，应使得上部的板片在外面，下部的板片在内侧。当钢波纹管涵长较长时，应边拼装边校核轴向中心线，以防止钢波纹管偏位。（4）拼装完成后应检查螺栓松紧，对于较松的螺栓应用扳手进行二次拧紧。待所有螺栓拧紧后，用专业密封胶对板与板连接处、螺帽处进行密封处理，密封胶应符合相关的标准要求。最后在钢波纹管内外壁均匀喷涂乳化沥青再次防腐，增加钢波纹管涵洞的耐久性。

3.3 回填施工要点

钢波纹管涵洞管周一般宜采用天然砂砾进行回填，当材料受限或运输困难时，可采用当地材料，但应进行试验验证达到规范要求后方可采用。应采用分层对称填筑，管周0.5 m 内应用小型夯机夯实，以免施工时大型机械碰撞钢波纹管，产生凹槽、碰掉镀锌层等破坏。管涵两侧填料应符合设计要求，应避免使用带有棱角的大尺寸石块的材料进行回填。

4 结语

（1）钢波纹管的波峰和波谷应变值在同一角度正好相反，两者具有互补性，有利于钢波纹管的整体受力更加均匀，结构更加稳固。（2）钢波纹管的波峰、波谷及波侧最大受力均出现在上半部圆或下半部圆的45°。（3）钢波纹管拼装时应控制好板片拼装的误差，同时做好防渗及防腐措施。管涵两侧回填应采用分层对称填筑，管顶最小填土高度应杜绝车辆的通行，以免对钢波纹管产生变形破坏。