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(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院， 湖南 長沙 410008)

鋼波紋板通涵設計關鍵技術探討

穆程，彭海濤

(湖南省交通規(guī)劃勘察設計院， 湖南 長沙 410008)

國內(nèi)鋼波紋管涵洞通道設計無設計標準和規(guī)范可依，現(xiàn)有設計和施工上存在一定盲目性，導致施工中問題較多，影響了產(chǎn)品耐久性。通過資料收集、設計計算、調(diào)查研究等三方面探討鋼波紋板結構力學性能、設計構造、密封方案、防腐措施等幾個關鍵技術問題的處理方案，為類似工程設計、技術標準和設計規(guī)范的制定提供參考和依據(jù)。

涵洞； 鋼波紋管； 設計； 關鍵技術

0 前言

波紋鋼埋置式結構在歐美國家已經(jīng)有百余年的悠久歷史和成功應用案例。國內(nèi)外的工程實踐證明，該結構具有良好的變形適應能力，特別適用于常年凍土、膨脹土、軟土、濕陷性黃土等不良地質(zhì)條件、高填方路段及地震區(qū)的工程或鐵路涵洞[1]。

近年來，國內(nèi)開始廣泛應用于公路、市政等領域，湖南地區(qū)如大瀏、武靖、龍永、益婁高速公路，婁漣二級公路，湘陰段芙蓉大道等均有應用。目前國內(nèi)鋼波紋管涵洞通道無設計標準和規(guī)范可依，國內(nèi)僅內(nèi)蒙古發(fā)行了地方鋼波紋管設計規(guī)范，現(xiàn)有設計和施工存在一定的盲目性。本文從設計計算、試驗研究、案例分析等三方面研究鋼波紋管結構力學性能、設計構造、防腐措施等幾個關鍵技術問題，為湖南省類似工程設計和技術標準的制定提供參考。

1 驗算方法研究

目前，鋼波紋管通涵結構設計主要參照國外的計算規(guī)范或標準，如加拿大公路橋梁設計規(guī)范(以下簡稱CHBDC)[2]、美國公路橋梁規(guī)范(以下簡稱AASHTO)[3]、美國鋼鐵協(xié)會(以下簡稱AISI)設計方法[4]，或采用有限元程序建模分析等。比較上述3種計算方法，CHBDC、AASHTO基于極限狀態(tài)設計法，而AISI采用安全系數(shù)法。3種方法考慮的因素不盡相同，但將設計壓力轉(zhuǎn)化為管壁推力時，三者均基于環(huán)向壓力理論[5]。

為研究CHBDC、AASHTO和AISI 3種設計方法對結構設計的差異，以湖南省某高速1-5.0 m跨徑鋼波紋管涵洞設計為依托，分別采用上述3種設計方法進行驗算，波形考慮150 mm×50 mm、200 mm×55 mm和300 mm×110 mm共3種，厚度考慮3、4、5、6和7 mm 5種。見表1。

表1 不同設計方法、不同波形的壓應力限值與壓應力比值對比板厚t/mm150mm×50mm200mm×55mm300mm×110mmCHBDCAASHTOAISICHBDCAASHTOAISICHBDCAASHTOAISI30961250941261081394083132172085129168106143186509816821810016221012817923261102042651131942521482152797120239310124227294167251325

計算結果表明： AASHTO和AISI計算結果基本不受波形影響，CHBDC受波形影響較大。就厚度而言，3種規(guī)范計算結果均受其影響較大。

對于管壁壓應力，CHBDC方法計算結果顯示波形越大，鋼板受力性能越好，所需鋼板厚度也越小；而AASHTO方法和AISI方法計算結果僅跟荷載大小和單位長度面積相關。CHBDC分析結果更趨于實際。總體看來，CHBDC方法對波紋管管壁壓應力控制最嚴，其次是AASHTO方法，最后是AISI方法。

國內(nèi)橋涵設計規(guī)范理論基于極限狀態(tài)設計法，建議國內(nèi)驗算參考CHBDC方法，荷載組合系數(shù)根據(jù)《公路橋涵通用設計規(guī)范》確定。

2 設計構造研究

鋼板一般采用Q235或者Q345，其技術標準符合現(xiàn)行技術規(guī)范。

2.1 波形選擇

波形是鋼波紋管最重要的參數(shù)之一，對結構受力性能影響較大。我國于2008年頒布了交通行業(yè)標準《公路橋涵用波形鋼板》(JT/T 710 — 2008)規(guī)定了125 mm×25 mm、150 mm×50 mm、200 mm×55 mm、300 mm×110 mm、380 mm×140 mm、400 mm×180 mm等6種波形。2010年頒布了交通行業(yè)標準《公路涵洞通道用波紋鋼管》(JT/T 791 — 2010)規(guī)定了螺旋管(68 mm×13 mm、75 mm×25 mm、125 mm×25 mm)、環(huán)形整體管(125 mm×25 mm、150 mm×50 mm、200 mm×55 mm、145 mm×60 mm)、拼裝波紋鋼板件(68 mm×13 mm、125 mm×25 mm、150 mm×50 mm、200 mm×55 mm)共11種。韓國建設交通部、韓國道路公社編寫的波形鋼板結構物設計及施工指南(Specifications for the Design & Construction of Burid Structures using Corrugated Steel Plates)規(guī)定了2種波形，即“標準型”(150 mm×50 mm)和“大波高型”(380 mm×140 mm)，各國波形范圍各有不同。

對于跨徑較大(跨徑大于等于5.0 m)，或覆土厚度較小的波紋管橋涵，在填土荷載、汽車荷載等作用下，彎矩所占比較大，應選擇抗彎剛度較大的波形，如380 mm×140 mm和400 mm×150 mm。孔徑小于等于5 m的涵洞，建議選擇小波形，如200 mm×55 mm和150 mm×50 mm。在湖南地區(qū)，鋼波紋管通涵成功應用在大瀏高速、龍永高速、武靖高速等項目工程，所選波形以小波形為主，其中以200 mm×55 mm、150 mm×50 mm的波形應用最多，從應用效果來看，其產(chǎn)品加工工藝較為成熟，板片間密切性好。

2.2 涵底防沖刷層

本文調(diào)查了多道已建成運營的高速公路涵洞，發(fā)現(xiàn)山區(qū)易爆發(fā)山洪，流速較大，且攜帶大量砂石，對底部瀝青、鍍鋅層和鋼板造成一定沖蝕，降低了鋼板的耐腐蝕能力，縮短了其使用年限(見圖1)。但設置了防沖刷混凝土層的涵洞，使用狀況良好?？紤]到砂石重度較水大，一般聚集在涵洞底部附近。因此，對于過水涵洞，建議在涵底120°范圍內(nèi)設置C30混凝土保護層或水泥砂漿層，保護層內(nèi)設置10 cm×10 cm間距、直徑為5 mm的鍍鋅焊接鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)保護層厚度不小于3 cm(見圖2)。

圖1 波紋管底部瀝青層、鍍鋅層磨耗嚴重

圖2 波紋管底部設置保護層

2.3 通涵洞口設計

常規(guī)通涵洞口主要有八字墻洞口、削竹式洞口、端墻式洞口、延長式洞口、走廊式洞口、流線型洞口或其他豎井構造。按變形大小，有剛性洞口和柔性洞口之分。漿砌片石、現(xiàn)澆混凝土等剛性洞口具有就地取材，方便施工等優(yōu)勢，省內(nèi)90%以上的波紋管通涵采用剛性洞口，調(diào)查發(fā)現(xiàn)：對于孔徑大于等于5 m的通涵，洞口端墻開裂較多。對于孔徑小于等于4 m的涵洞通道，開裂較少。

鋼波紋管是典型的柔性結構，相對于混凝土通涵變形能力較強，而剛性洞口剛度大，約束了鋼波紋管的變形，洞口圬工結構基本承擔了洞口全部荷載，而傳統(tǒng)的漿砌片石等圬工結構抗拉強度小，從而出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。針對該問題，本文提出采用柔性洞口的解決思路，具體做法是根據(jù)工點需要，對于孔徑大于等于5 m的通涵，采用柔性洞口。柔性洞口主要有削竹式洞口、加筋格賓擋墻洞口或者預制鋼結構八字墻洞口。見圖3、圖4。

圖3 削竹式八字墻洞口

圖4 加筋格賓擋墻洞口

削竹式洞口直接采用波紋鋼板加工而成，與涵洞洞身為一整體，再進行坡面防護即可。具有施工速度快、不開裂等優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)八字墻結構，洞口過水能力相對要小，鋼板加工和安裝增加了難度。加筋格賓擋墻在路基沉降較大、對邊坡有復綠要求的邊坡應用較多，結構主要由石籠、填充石籠的石材、筋材三部分組成，擋墻由多層石籠疊加而成，格賓擋墻本身變形能力較強，與鋼波紋管結構協(xié)調(diào)變形，共同受力。本文調(diào)查發(fā)現(xiàn)柔性洞口工點的運營效果良好，建議推廣應用。

2.4 接縫采用高強螺栓連接

板片連接主要有螺栓連接和焊接兩種，目前國內(nèi)主要以螺栓連接為主，少數(shù)涵洞通道采用焊接連接，但效果較差，接縫未焊透或者焊接質(zhì)量不滿足規(guī)范要求，在外荷載作用下，接縫處易開裂，嚴重時鋼板局部撕裂導致局部垮塌。

就強度而言，一般接縫處整體性差，容易破壞，設計規(guī)范一般要求接縫強度應不小于正常波紋板段強度，并保證一定安全儲備，以確保結構受力的整體性能，螺栓連接方式可根據(jù)需要進行加強，使得接縫強度大于非接縫處鋼板強度，提高結構整體的穩(wěn)定性，而焊接方式難以實現(xiàn)接縫強度大于非接縫處鋼板強度。焊接質(zhì)量受工人技術熟練程度、焊接環(huán)境影響較大，焊接質(zhì)量不易保證，而且焊接容易破壞鋼板鍍鋅層，縮短了通涵使用壽命。此外，采用高強螺栓連接方式，有利于構件運輸?！豆泛赐ǖ烙貌y鋼管》(JT/T 791 — 2010)第6.2.3.2條規(guī)定：波紋鋼板件拼裝時，板件之間應采用搭接，并用高強度螺栓連接，不得采用焊接。因此，接縫采用高強螺栓的連接方式。

2.5 高強螺栓副要求

為防止通涵鋼材被盜，采用防盜型高強螺栓，如圖5所示，防盜型高強螺栓在螺帽與螺栓連接處設置4道螺栓肋，螺栓擰緊時，螺栓肋可局部嵌入波紋鋼板中，擰緊后僅施擰螺帽難以擰松。螺栓長度L2長度應適當，擰緊后螺栓絲扣外漏應不少于2扣。

圖5 螺栓示意圖

螺栓孔位于波峰和波谷處，孔處為圓弧形鋼板，若采用平墊圈，墊圈與波紋鋼板之間存在一定間隙，受力面積減少，對螺栓受力不利。因此，墊圈采用凸凹型墊圈，凸凹墊圈弧面與波紋管弧面半徑相等，在波峰位置，涵洞通道內(nèi)側采用凹墊圈，填土側采用凸墊圈；在波谷位置，內(nèi)側采用凸墊圈，填土側采用凹墊圈。防腐方式采用熱浸鍍鋅，鍍鋅量不小于350 g/m2。首先是凸凹墊圈的位置不能裝反，其次是無論是波峰還是波谷螺栓，螺栓頭均位于涵洞通道內(nèi)側，螺帽位于填土側。施擰時應采取可靠措施避免凸凹墊圈隨螺栓旋轉(zhuǎn)偏位。

2.6 密封方案

鋼波紋板通涵為預制拼裝結構，在板片搭接處(含橫向搭接、縱向搭接、螺栓孔附近等)應采取可靠的密封措施。鋼波紋板現(xiàn)場安裝時，板片重疊部分(含橫向搭接、縱向搭接)采用密封條填充。并在搭接處填土側外邊緣采用密封膠密封。在填土側螺帽處，采用密封膠密封。如圖6所示。密封膠可采用聚氨酯混合樹膠、中性硅酮結構密封膠等，其耐久性能、粘結性能均應能滿足設計要求。

圖6 接縫密封示意圖

3 耐久性設計

防腐蝕鋼結構設計的關鍵，在國內(nèi)，防腐蝕主要以鍍鋅為主，安裝完畢后表面刷涂瀝青、環(huán)氧富鋅、彩色油漆等二次涂裝，少數(shù)工程采用覆膜技術，防腐效果較好，但成本較高。在國外，特別是在過去50 a來，鋼波紋管結構為了適應各種自然條件，防腐措施也不斷革新，鍍鋁是其中一個典型，其技術自1948年開始應用，將其應用在指定的環(huán)境中時，最小使用壽命為75 a。20世紀80年代，開發(fā)了一種覆膜技術，即在鋼波紋管結構表面敷設一層有機聚合物層，將鍍鋅層與土壤、水體隔開，將其應用在指定的環(huán)境中時，最小使用壽命為100 a。

本文總結國內(nèi)外設計、國內(nèi)實踐經(jīng)驗，建議波紋鋼板(管)防腐設計如下：

1) 波紋鋼板(管)內(nèi)外表面須進行熱浸鍍鋅。強腐蝕環(huán)境單面鍍鋅量不小于600 g/m2，中等腐蝕性和弱腐蝕性環(huán)境單面鍍鋅量不小于300 g/m2。

熱浸鍍鋅所用的鋅為《鋅錠》(GB/T470 — 2008)規(guī)定的1號或者0號鋅，鋼表面處理的最低等級為Sa2.5。

2) 二次防腐可采用涂裝或噴涂瀝青等非金屬覆蓋層：

① 用于低腐蝕環(huán)境時：鍍鋅后的波紋鋼板(管)現(xiàn)場安裝完成后，宜在管節(jié)內(nèi)外管壁均勻噴涂瀝青漆或乳化瀝青2遍，涂層厚度不小于0.5 mm，涂層應光滑、連續(xù)。

② 用于中等腐蝕環(huán)境時：在內(nèi)外管壁表面覆膜。

③ 用于嚴重腐蝕環(huán)境時：宜適當增加管壁厚度(按0.5 mm模數(shù)增加)，并相應增加熱浸鍍鋅及防腐涂層的厚度。必要時改用耐候鋼。

4 結語

本文通過近6 a來對鋼波紋管通涵的設計、施工及運營關鍵技術研究，首先探討了鋼波紋管通涵設計的計算方法，提出了基于加拿大公路橋梁設計規(guī)范，并結合國內(nèi)規(guī)范荷載組合系數(shù)的設計方法。其次，根據(jù)調(diào)研多個工程實例，研究了涵底防沖刷層、柔性洞口、接縫連接方式、高強螺栓副要求等的構造措施，最后給出了波紋鋼板通涵有效的防腐設計方案。以期為類似工程設計和技術標準的制定提供參考。

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[5] 穆程.大孔徑鋼波紋管涵洞設計中不同計算方法比較研究[J].公路工程，2014,39(6)：114-118.

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1008-844X(2017)03-0174-03

U 449

A

2016-11-22

湖南省交通運輸廳科技項目(201324)

穆 程(1970-)，女，高級工程師，從事公路與橋梁方面的研究與設計。