楊 松， 郭亞文

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司；公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

傳統(tǒng)涵洞一般是由石材、混凝土或混凝土與鋼筋結(jié)合而成，在工程建設(shè)過(guò)程中，由于石材承載力和耐久性不足、混凝土收縮與徐變、鋼材腐蝕等問(wèn)題一直存在，加之不同涵洞類型存在各自缺點(diǎn)和適用條件，給施工過(guò)程和后期運(yùn)營(yíng)方面帶來(lái)一系列的問(wèn)題[1，2]。面對(duì)這些實(shí)際工程問(wèn)題，迫切需要一種施工工期短、施工方便、養(yǎng)護(hù)與維修方便、能夠適應(yīng)復(fù)雜水文地質(zhì)的新型涵洞出現(xiàn)。在此背景下，對(duì)波紋管涵這種新的結(jié)構(gòu)形式的研究就顯得尤為重要。

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土蓋板涵和圓管涵相比，鋼波紋管涵作為一種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，近年來(lái)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外涵洞建設(shè)中[3-5]。目前鋼波紋管涵的應(yīng)用分析也日漸成熟，但由于鋼波紋管涵本身相對(duì)于普通的鋼筋混凝土涵洞剛度較小，因此需要針對(duì)實(shí)際項(xiàng)目所在地域土質(zhì)情況結(jié)合有限元模型分析加以確定不同填土高度對(duì)其的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼波紋管的計(jì)算分析主要有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析[6]、彈塑性有限元分析[7-9]，本文考慮管-土聯(lián)合作用,利用土體Drucker-Prager本構(gòu)關(guān)系建立數(shù)值有限元模型[10]，并結(jié)合具體工程項(xiàng)目，以2.5 m大直徑鋼波紋管涵為研究對(duì)象，分析了鋼波紋管主要承重構(gòu)件的等效應(yīng)力和變形特性。同時(shí)從項(xiàng)目填土變形模量和鋼波紋管壁厚等關(guān)鍵參數(shù)出發(fā)，進(jìn)一步明確了鋼波紋管受力特征的主要影響因素。在目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)系統(tǒng)的規(guī)范性指導(dǎo)文件下，數(shù)值模擬結(jié)果可作為設(shè)計(jì)和施工依據(jù)。

1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于四川省涼山境內(nèi)，屬于2020年脫貧攻堅(jiān)項(xiàng)目，施工工期要求緊，且該路是出入普格縣的唯一一條公路，要求在4個(gè)月內(nèi)施工完畢，若采用普通的鋼筋滬混凝土的蓋板涵和圓管涵則無(wú)法保證施工如期完成，因此考慮將鋼波紋管涵應(yīng)用于本項(xiàng)目中。

鋼波紋管涵相比于蓋板涵和圓管涵，在多個(gè)方面具有突出優(yōu)勢(shì)。其波形與土體聯(lián)合作用使得鋼波紋管涵洞具有較強(qiáng)的承載能力，同時(shí)具有施工周期短、整體性優(yōu)良、易拼裝、易維護(hù)、對(duì)環(huán)境干擾較小等優(yōu)點(diǎn)。

因此為保證施工期間道路暢通，盡可能減少施工對(duì)沿線居民生活及生產(chǎn)的干擾，經(jīng)綜合考慮采用鋼波紋管涵洞來(lái)代替常規(guī)的鋼筋混凝土蓋板涵和圓管涵。本項(xiàng)目共涉及4種孔徑的鋼波紋管涵洞，分別為1-Φ1.0 m、1-Φ1.5 m、1-Φ2.0 m、1-Φ2.5 m，涵洞最小與最大填土高度分別為1 m和5 m，鋼波紋管采用Q235或更高級(jí)別熱軋鋼板制作而成。

鋼波紋管涵最大管徑為2.5 m，在相同填土高度下鋼波紋管受力最為不利，本文主要分析2.5 m大直徑波紋管涵受力與變形情況，項(xiàng)目涵洞布置圖與鋼波紋管波形參數(shù)如圖1所示，其中波距為230 mm，波高為64 mm，壁厚為4 mm，波頂和波底處圓弧部分對(duì)應(yīng)圓心角均為98°。

圖1 項(xiàng)目涵洞布置圖與鋼波紋管波形參數(shù)(單位：mm)

2 有限元模型

2.1 參數(shù)選取

根據(jù)圣維南原理將涵洞分析模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，管軸方向取1.15 m(5個(gè)波距長(zhǎng)度)、鋼波紋管底部和兩側(cè)填土范圍各取1倍管徑進(jìn)行建模分析。當(dāng)管頂填土為1 m時(shí)，按照實(shí)際填土高度建模；當(dāng)管頂填土為5 m時(shí)，按照1倍管徑填土高度建模。鋼波紋管為彈性材料，彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3。土體為非線性材料，采用Drucker-Prager模型模擬土體實(shí)際變形特征。本項(xiàng)目填土Drucker-Prager模型相關(guān)參數(shù)取為：變形模量為35 MPa，密度為2 000 kg/m3，泊松比為0.35，黏聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角為30°。

2.2 有限元模型

采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行建模，鋼波紋管采用彈性殼單元Shell 63，土體采用二階實(shí)體單元Solid 92，為限制土體基底位移，將模型底部固結(jié)，模型兩側(cè)僅限制水平位移以保證結(jié)構(gòu)能夠豎向變形。本項(xiàng)目涵洞為雙車道布置，活載根據(jù)實(shí)際填土高度按照30°擴(kuò)散角等效為均布荷載作用于模型頂面，有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼波紋管涵有限元模型

采用自動(dòng)擴(kuò)展步長(zhǎng)進(jìn)行波紋管涵ANSYS非線性分析，鋼波紋管軸向最大網(wǎng)格尺寸控制在20 mm內(nèi)，以保證波形幾何精度及管-土充分耦合，土體最大網(wǎng)格尺寸控制在200 mm內(nèi)，模型網(wǎng)格劃分較密，保證計(jì)算收斂。

3 計(jì)算結(jié)果

土體彈性模量較小，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與鋼波紋管相比較小，本文主要針對(duì)鋼波紋管主要承重構(gòu)件進(jìn)行分析。本項(xiàng)目1 m高填土和5 m高填土對(duì)應(yīng)的鋼波紋管等效應(yīng)力與變形分別如圖3和圖4所示，計(jì)算表明：

圖3 1 m高填土鋼波紋管等效應(yīng)力與位移

圖4 5 m高填土鋼波紋管等效應(yīng)力與位移

(1)1 m高填土作用下鋼波紋管最大MISES應(yīng)力為69.4 MPa，位于波紋管底部；最大豎向位移位于涵頂位置，數(shù)值為13.7 mm。

(2)5 m高填土作用下鋼波紋管最大MISES應(yīng)力為86.1 MPa，位于波紋管中間位置；最大豎向位移位于涵頂位置，數(shù)值為16.8 mm。

(3)隨著填土高度增加，鋼波紋管最大MISES應(yīng)力位置由管底截面逐步轉(zhuǎn)移至波紋管中間一側(cè)截面處，施工時(shí)應(yīng)注意該部位土體保持密實(shí)狀態(tài)；對(duì)于位移而言，鋼波紋管最大位移始終位于涵頂截面處，最小位移始終位于涵底截面處，施工時(shí)應(yīng)注意涵頂填土分層填筑，避免涵頂發(fā)生瞬時(shí)過(guò)大位移。

4 參數(shù)分析

在本項(xiàng)目鋼波紋管涵等效應(yīng)力和位移計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變填土變形模量和鋼波紋管壁厚兩個(gè)重要參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，填土變形模量取30～60 MPa，壁厚取3～5 mm，兩種參數(shù)下鋼波紋管等效應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 不同填土高下等效應(yīng)力和涵頂位移隨填土變形模量變化圖

圖6 不同填土高下等效應(yīng)力和涵頂位移隨鋼波紋管壁厚變化圖

計(jì)算表明：

(1)不同填土高度下，填土變形模量與等效應(yīng)力和涵頂豎向位移具有顯著的非線性關(guān)系，鋼波紋管壁厚與等效應(yīng)力和涵頂豎向位移基本呈線性變化。

(2)鋼波紋管壁厚參數(shù)變化對(duì)于涵頂豎向位移影響較小，填土變形模量對(duì)鋼波紋管等效應(yīng)力和涵頂位移變化影響較大，施工時(shí)應(yīng)盡量采用變形模量較大的密實(shí)砂填土。

5 結(jié) 論

以西南地區(qū)某工程項(xiàng)目為研究背景，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)鋼波紋管涵等效應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

(1)本項(xiàng)目所采用的2.5 m管徑、4 mm壁厚的鋼波紋管的等效應(yīng)力與變形能夠滿足1～5 m填土要求。

(2)隨著填土高度增加，鋼波紋管等效應(yīng)力最大值由管底截面轉(zhuǎn)移至管周一側(cè)中間位置處，最大豎向位移始終位于涵頂位置處，施工時(shí)應(yīng)注意管周上下、左右位置處填土保持密實(shí)狀態(tài)。

(3)壁厚參數(shù)對(duì)鋼波紋管變形影響較小，而涵頂填土變形模量對(duì)鋼波紋管等效應(yīng)力和變形影響較大，當(dāng)填土高度較低時(shí)，應(yīng)選擇變形模量較大的密砂進(jìn)行回填。