張 力，趙 侶，胡 濱，3

（1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.中交四公局國際工程分公司，北京 100123；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075）

1 概述

鋼波紋管是采用工廠生產(chǎn)，將鋼板壓制成為一定波紋形式的板件。目前，鋼波紋管涵洞已經(jīng)在全國大部分省份進(jìn)行了應(yīng)用，特別是在青海、西藏、云南、江西、湖北、廣東、陜西等省份高速公路上大面積推廣使用，且有迅速增長的趨勢。相比較于混凝土結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場拼裝的鋼波紋管涵洞具有多方面的優(yōu)勢：（1）工廠采用滾輪碾壓機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)形式及質(zhì)量易控，且運(yùn)輸方便。（2）工地現(xiàn)場拼裝連接，施工工藝簡單，施工速度快，在保證施工質(zhì)量的同時縮短了施工工期。（3）鋼波紋管軸向波紋的存在使得整體受力更加均勻，特別是在特殊地區(qū)（如凍土區(qū)、濕陷性黃土區(qū)、軟土區(qū)）鋼波紋管涵洞可解決混凝土涵洞由于基礎(chǔ)不均勻沉降引起的較大變形問題。（4）減少了砂石材料的開采，減少了環(huán)境污染，且鋼波紋板可回收利用。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國于1896年在本國內(nèi)對鋼波紋管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了公路涵洞、通道方面的研究，給出了可行性的研究結(jié)論，對鋼波紋管結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用建立了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。加拿大于1929在本國內(nèi)首次將鋼波紋管應(yīng)用在煤礦區(qū)，并取得了成功。此后，日本在本國大量應(yīng)用鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，于1990年編制了鋼波紋管方面的設(shè)計規(guī)范，納入《日本高速公路設(shè)計規(guī)范》中，為鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計鑒定了基礎(chǔ)。

截止目前，鋼波紋管涵洞在美國、加拿大等國家公路工程中均有推廣應(yīng)用，并進(jìn)行了不同工程結(jié)構(gòu)的研究，制定了設(shè)計、制造及施工安裝手冊。

國內(nèi)中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司首次于1997年在我國青藏公路修建了三道鋼波紋管涵洞，獲得了現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了初步成功，解決了高原地區(qū)多年凍土區(qū)混凝土涵洞的凍融破壞病害難題，提高了涵洞工程在多年凍土地區(qū)的使用壽命，促進(jìn)了鋼波紋管結(jié)構(gòu)在公路工程中的應(yīng)用。1998年，上海市政工程設(shè)計研究院引進(jìn)國外直徑4 m鋼波紋管結(jié)構(gòu)，在上海新開河進(jìn)行了應(yīng)用，組織人員測試了車輛荷載作用下鋼波紋管涵洞的應(yīng)力應(yīng)變，并進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，獲得了大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)，取得顯著的研究成果。2000—2019年中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司持續(xù)10年先后依托實(shí)體工程，做了大量不同直徑、不同波形、不同填土高度情況下鋼波紋管涵洞的應(yīng)用，并進(jìn)行了系統(tǒng)性研究工作，形成了鋼波紋管涵洞的設(shè)計、施工及質(zhì)量檢驗(yàn)成套技術(shù)，并編制了多部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，取得了多項(xiàng)技術(shù)成果，規(guī)范了市場，促進(jìn)了波紋鋼行業(yè)的發(fā)展。

從國外的研究來看，成果多偏向于鋼波紋管涵洞調(diào)研、總結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)的編制；國內(nèi)多為現(xiàn)場實(shí)測結(jié)合有限元模擬分析不同孔徑、波形、填土高度的鋼波紋管涵洞的管內(nèi)應(yīng)力和管外土壓力，關(guān)于不同基礎(chǔ)的鋼波紋管涵洞研究則很少，也沒有對基礎(chǔ)材料的要求進(jìn)行分析，因此很有必要對不同基礎(chǔ)的鋼波紋管涵洞進(jìn)行研究。

鋼波紋管涵洞為柔性結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)不能使用混凝土等剛性材料，而且基礎(chǔ)材料強(qiáng)度不夠或壓實(shí)不充分往往會引起結(jié)構(gòu)的過大變形或結(jié)構(gòu)的破壞。針對這一問題，本項(xiàng)目采用直徑4 m鋼波紋管涵洞，波形參數(shù)為波長200 mm×波高55 mm、壁厚7 mm、管頂填土高度為1.6 m，管底回填基礎(chǔ)分為一般填土、碎石、天然砂礫、級配碎石四種情況下的鋼波紋管涵洞有限元模型，采用有限元數(shù)值模擬分析方法對不同地基鋼波紋管涵洞在車輛荷載作用下的受力和變形進(jìn)行研究。

3 不同地基鋼波紋管涵洞有限元模擬分析

3.1 模擬方案

采用有限元軟件進(jìn)行建模，施加公路一級荷載，對直徑4 m鋼波紋管涵洞的管頂、管底和管側(cè)三處軸線方向的應(yīng)力和變形進(jìn)行對比分析。不同回填基礎(chǔ)的參數(shù)見表1。

表1 不同回填基礎(chǔ)的參數(shù)

3.2 工況說明

車輛荷載按照國內(nèi)公路橋涵規(guī)范中要求的公路-1級汽車荷載形式，立面、平面尺寸見圖1、圖2，主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 車輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 公路-Ⅰ級荷載立面布置（mm）

圖2 公路-Ⅰ級荷載平面（mm）

3.3 模擬結(jié)果分析

圖3 基礎(chǔ)為一般填土?xí)r模型變形

圖4 基礎(chǔ)為碎石時模型變形

采用有限元軟件建立鋼波紋管涵洞模型，公路-1級汽車荷載后軸作用于鋼波紋管涵洞管頂正上方路基頂面，模擬分析不同基礎(chǔ)（一般填土、碎石、天然砂礫、級配碎石）情況下鋼波紋管涵洞的應(yīng)力和變形規(guī)律。不同基礎(chǔ)的模型變形見圖3～圖6。

圖5 基礎(chǔ)為天然砂礫時模型變形

圖6 基礎(chǔ)為級配碎石時模型變形

3.3.1 應(yīng)力分析

管頂、管底和管側(cè)的應(yīng)力變化曲線見圖7～圖9，可以看出：（1）車輛荷載作用下，不同基礎(chǔ)鋼波紋管涵洞管端的應(yīng)力值均小于管中。（2）管側(cè)的應(yīng)力值大于管頂、管底的應(yīng)力值，說明車輛荷載作用于路基頂部時，鋼波紋管涵洞由于縱向、軸向波紋的存在，管頂、管底的應(yīng)力向管側(cè)方向傳遞，引起管側(cè)受力較大。（3）不同材料基礎(chǔ)下鋼波紋管涵洞應(yīng)力從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級配碎石。（4）當(dāng)級配碎石基礎(chǔ)時，管底應(yīng)力明顯小于其它換填基礎(chǔ)，說明級配碎石增加了基礎(chǔ)的強(qiáng)度，可防止鋼波紋管涵洞整體沉降。（5）通過對比四種回填基礎(chǔ)情況下管頂、管底和管側(cè)的應(yīng)力值大小可知，回填基礎(chǔ)為級配碎石、天然砂礫時管涵所受應(yīng)力最小。

圖7 管頂應(yīng)力變化曲線

圖8 管底應(yīng)力變化曲線

圖9 管側(cè)應(yīng)力變化曲線

3.3.2 變形分析

管頂、管底和管側(cè)的位移變化曲線見圖10～圖12，可以看出：（1）各回填基礎(chǔ)工況下，從管涵管端到管中再到管涵端口，管涵位移呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，管中的位移最大。（2）荷載作用下鋼波紋管涵洞不同位置位移變化量大小關(guān)系為管頂＞管側(cè)＞管底。（3）不同材料基礎(chǔ)下管涵位移從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級配碎石。當(dāng)基礎(chǔ)強(qiáng)度較差時，通過改善基礎(chǔ)材料可以有效減少鋼波紋管涵洞的變形，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。（4）對荷載作用下四種回填基礎(chǔ)的管頂、管底和管側(cè)的位移變化分析，回填基礎(chǔ)為級配碎石、天然砂礫時管涵所受應(yīng)力最小，與應(yīng)力分析結(jié)果一致。

圖10 管頂位移變化曲線

圖11 管底位移變化曲線

圖12 管側(cè)位移變化曲線

4 鋼波紋管涵洞施工要點(diǎn)

4.1 基礎(chǔ)施工

4.1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要求

（1）由于鋼波紋管為柔性結(jié)構(gòu)，因此基礎(chǔ)不宜采用剛性結(jié)構(gòu)，當(dāng)現(xiàn)場施工條件限制，必須使用時應(yīng)設(shè)置砂礫緩沖層，減小剛性基礎(chǔ)對波紋管的破壞。（2）鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)成型時宜預(yù)留沉降量，應(yīng)根據(jù)鋼波紋管結(jié)構(gòu)的管底縱坡、管頂填土具體高度進(jìn)行設(shè)計。高填方路基時（一般管頂填土高度大于8.0 m），應(yīng)針對具體情況對基礎(chǔ)承載力做單獨(dú)設(shè)計。

4.1.2 基礎(chǔ)材料要求及施工

（1）當(dāng)基礎(chǔ)為一般地質(zhì)土層時，應(yīng)對基礎(chǔ)采用天然砂礫或級配碎石進(jìn)行換填；材料稀缺地區(qū)也可選用碎石土、礫石等材料，但應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)測試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求后方可使用。（2）對于膨脹土、濕陷性黃土等地區(qū)鋼波紋管涵洞除了基礎(chǔ)應(yīng)換填外，還應(yīng)做好隔水處理。（3）多年凍土區(qū)鋼波紋管涵洞基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)涵位處凍土特征、上限深度、路基填土高度、施工季節(jié)、施工條件等因素綜合分析確定。涵洞基礎(chǔ)的選擇應(yīng)與凍土地基類型相適應(yīng)；當(dāng)?shù)鼗鶠楦邷貎鐾習(xí)r，基底應(yīng)進(jìn)行保溫隔熱處理?；A(chǔ)頂部可鋪設(shè)不小于0.3 m的砂礫或碎石墊層。（4）地基換填的寬度一般不宜小于涵管管徑兩側(cè)各加寬1.0～2.0 m的寬度要求，換填的長度應(yīng)結(jié)合涵洞管節(jié)總長度和涵洞出入口的鋪砌方式等確定，不應(yīng)小于管節(jié)總長度。

4.2 拼裝施工

（1）安裝前應(yīng)檢查涵底標(biāo)高、縱坡、中心軸線。首先拼裝底部鋼波紋板，以中心軸線為基準(zhǔn)確定第一張鋼波紋板，由下向上順次拼裝，圓周向連接應(yīng)采用錯縫拼裝，兩片板連接孔對齊后進(jìn)行螺栓固定連接。（2）鋼波紋板件拼裝搭接時，上部板件應(yīng)在外側(cè)，以防止土體中水滲入管內(nèi)。（3）鋼波紋管全部拼裝完成后，應(yīng)用定扭汽動扳手，控制扭矩為270～410 N·m，緊固所有螺栓。（4）預(yù)緊力扭矩符合要求后，用專用密封膠密封，以防鋼波紋板連接處滲水。

4.3 回填施工

填土應(yīng)從管涵兩側(cè)對稱分層（壓實(shí)后厚度小于0.3 m）回填，同時應(yīng)控制兩側(cè)回填的高程差不能大于0.6 m。楔形部位采用粗沙進(jìn)行“水密法”振搗密實(shí)。管頂上部機(jī)械壓實(shí)時，應(yīng)滿足最小填土高度（一般不小于0.5 m），先采用小型手扶振動壓路機(jī)壓實(shí)，后采用小型壓路機(jī)壓實(shí)，填土厚度超過0.8 m后，方可采用20 t壓路機(jī)振壓。

5 結(jié)語

（1）國內(nèi)外對鋼波紋管涵洞均做了大量的應(yīng)用和研究，結(jié)構(gòu)形式多為同一換填基礎(chǔ)情況下的受力分析或模擬分析，關(guān)于不同基礎(chǔ)材料的鋼波紋管涵洞應(yīng)力、變形的研究則很少有報道。（2）不同基礎(chǔ)材料對鋼波紋管涵洞的應(yīng)力影響較大，從大到小依次為一般填土、碎石填土、天然砂礫、級配碎石。（3）通過改善基礎(chǔ)材料可有效改善鋼波紋管涵洞的受力和變形，建議基礎(chǔ)換填材料選用級配碎石或天然砂礫。材料稀缺地區(qū)也可選用碎石土、礫石等材料，但應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)測試，滿足規(guī)范要求后方可使用。（4）鋼波紋管涵洞應(yīng)做好施工組織，拼裝施工應(yīng)控制好板片之間的連接，且管涵兩側(cè)應(yīng)對稱回填，同時各環(huán)節(jié)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保施工質(zhì)量。