钢波纹管涵洞管顶填土高度对预拱度设置的影响

钱 坤,刘百来,2,顾致平,段现彪,周向东

(1.西安工业大学 建筑工程学院,西安 710021;2.中交第一公路勘察设计研究院,西安 710075;3.云南第二公路桥梁工程有限公司,昆明 650205；4.中交第四公路工程局有限公司,北京100024)

钢波纹管涵洞管顶填土高度对预拱度设置的影响

钱 坤1,刘百来1,2,顾致平1,段现彪3,周向东4

(1.西安工业大学 建筑工程学院,西安 710021;2.中交第一公路勘察设计研究院,西安 710075;3.云南第二公路桥梁工程有限公司,昆明 650205；4.中交第四公路工程局有限公司,北京100024)

旨在研究实际工程中预拱度设置过大或过小对管涵受力和变形的不利影响.通过现场试验和室内有限元数值模拟，研究了钢波纹管涵洞预拱度设置.采用有限元模型分析了管顶填土高度对预拱度设置的影响.结果表明：设置钢波纹管预拱度时,涵洞管顶填土高度为预拱度主要影响因素；预拱度的设置值随管顶填土高度的增加而增大.不同管径管涵的预拱度的变化的规律较为接近,管径对预拱度设置的影响较小；不同波形的管涵的预拱变化基本一致,波形对预拱度设置为非主要影响因素.

钢波纹管；管顶填土高度；预拱度；涵洞

钢波纹管涵洞是采用波纹状钢整管或波纹状钢片通过连接、拼装而成.钢波纹管涵洞因轴向波纹的存在使其具有优良的受力特征.管涵在正常使用中将在受力和基础沉降的作用下发生变形,若预拱度设置过大,管体呈上拱曲线,将不能充分发挥钢材的抗拉、抗压及抗剪的力学性能,对改善管体的整体位移情况和变形恢复性能不利,从而影响钢波纹管涵洞正常使用；预拱度设置不足,导致涵洞过水不畅,管中存在大量积水,使得波纹管钢材和涵洞基础长期浸泡于水中,对涵管的防腐及基础的受力极为不利,影响涵洞的使用寿命.预拱度设置不足或预拱度设置过大均对钢波纹管涵的变形产生影响,故需找出合理的预拱度设置值,以指导实际工程.文献[1-4]的研究主要集中在冻土地区冻融循环,其对涵洞的应力应变影响及钢波纹管涵的受力变形研究上,国内外对波纹管涵洞预拱度设置的研究较少.文献[5-6]对有限元模型的建立均是局部模型,其模型只涉及部分断面或部分波长,而研究波纹管涵的预拱度设置需建立足尺涵洞模型.在足尺建模中,划分的结点数和单元个数过多时,超出一般计算机的运算能力.以当前计算机的运算能力,建立轴向长度过大的钢波纹管涵洞模型将难以计算,故需将波纹管涵模型等效为钢圆管涵模型用以模拟分析.

本文以江西省万宜高速公路的波纹管涵洞为研究对象,抽取5个涵洞现场实测用以数值分析.通过室内有限元模拟分析不同工况下的钢波纹管涵洞,找出钢波纹管涵洞的预拱度设置规律并给出相应回归公式,以供实际工程设计及施工参考.

1 涵洞模型分析

1.1 单元类型及材料

钢圆管选用Shell63单元,土体和回填基础选用Solid45单元,过渡层选用Solid95单元.模型所涉及的材料属性参数见表1.

1.2 涵洞模型土体尺寸

1)X方向尺寸

模型中将X方向定义为道路前进的方向.根据《公路涵洞设计细则》(JTG/T D65-04—2007)[7],大型载重汽车的前轴与后轴的距离在12.8 m,考虑到诸多因素将X方向土体宽度的尺寸取为30 m.

2)Z方向尺寸

模型中Z方向为涵洞轴线方向.其对应土体尺寸应按不同管顶填土高度下坡度的划分所确定的长度来取值.依照《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)[8]和《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)[9]的规定,经计算可得其取值分别为41.0,86.5,130.0,178.0,237.0 m.

3)Y方向尺寸

模型中Y方向土体尺寸分为管顶、官底和管侧土体尺寸.经数值模拟分析研究表明,管底土体尺寸为6倍的管顶填土高度时,即可达到精确度的要求.

管顶填土高度选取了特定的高度,其值的确定是根据边坡的划分方法中所确定的土体高度的上限值.边坡坡率的划分方法见表2.

表1 材料属性参数 Tab.1 Attribute parameters of materials

表2 边坡坡率Tab.2 Slope rate

1.3 荷载和边界条件

经计算,管顶填土高度在8 m及以上时,路面车辆荷载对涵洞的受力变形影响很小.故荷载只考虑结构自重即可.

边界条件需要根据现场实际情况确定.由于波纹管涵洞一般采用反开槽回填施工,经多次室内模拟计算,对比模拟计算值和实测值,确定模型外表面的边界条件：土体底部施加约束ALL DOF,垂直于道路前进方向的土体立面施加约束UX,其余表面自由.

1.4 有限元建模

建立长度、半径及材料相等的波纹管及钢圆管,在相同荷载和约束的情况下,计算并分析两模型轴向中点的位移情况,以位移相等为目标来确定钢圆管所用壁厚.

以150 mm×50 mm×28 mm的波形,7 mm的壁厚建立管长21 m的波纹管及管长21 m的钢圆管模型.沿涵管顶轴向的中点施加方向竖直向下，大小100 kN的集中力F和沿管涵顶轴向施加方向竖直向下的均布荷载q,并在涵管的一端施加X,Y,Z方向的位移约束,另一端施加X,Y方向的位移约束,其正方向为管轴线方向,如图1所示.计算其涵管中点的位移值.计算此模型,以取其轴向中点的位移值与波纹管涵轴向中点的位移值接近为原则,确定一个合理的钢圆管壁厚.

图1 模型受力图Fig.1 The force condition of model

通过数值模拟计算并比较,使钢圆管涵及钢波纹管涵沿涵管顶轴线方向中点的位移基本一致,误差控制在±5%.将壁厚为7 mm，波形为150 mm×50 mm×28 mm及200 mm×53 mm×55 mm钢波纹管涵等效为壁厚为6.218 mm及 6.582 mm的钢圆管涵用于建模分析.

2 计算工况及相关数据

2.1 计算工况

根据《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)[9]中对边坡坡率的规定,分别取管顶填土高度为8,20,30,40,50 m建模.将模型分为A，B，C和D四组,每组模型中各包含5个工况.所有计算工况汇总见表3,A1～A5为A组模型工况编号；B1～B5为B组模型工况编号；C1～C5为C组模型工况编号；D1～D5为D组模型工况编号.

表3 计算工况汇总表Tab.3 The calculation condition

2.2 计算结果分析

涵洞模型采用的参数具体如下：管径为5 m,波形为150 mm×50 mm×28 mm,壁厚为7 mm,填土高度为40 m,涵管长178.5 m,4车道.土体X方向宽度为30 m,Y方向高度为282.5 m,Z方向长度为178.5 m.

涵洞及土体模型的网格划分如图2所示.涵洞及土体的竖向位移云图如图3所示,涵管的竖向位移云图如图4所示.

图2 涵洞及土体的网格划分图Fig.2 The element mesh model of culvert and soil

图3 涵洞及土体的竖向位移云图(mm)Fig.3 The vertical displacement of culvert and soil(mm)

沿着涵管轴线方向每隔5 m取一个横截面,提取涵洞的竖向位移,其相对于两端涵顶的竖向位移如图5所示.

由图5可得,在涵洞两端,涵顶和涵底相对沉降量相同；在涵洞中间部位,涵顶相对沉降量略大于涵底相对沉降量；涵顶的最大相对沉降量略大于涵底的最大相对沉降量.

图4 涵管的竖向位移云图(mm)Fig.4 The vertical displacement of culvert pipe(mm)

图5 管顶填土高度为40 m的钢波纹管涵相对竖向位移沿轴向的变化图Fig.5 Relative vertical displacement along the axial of steel corrugated pipe culvert with pipe-jacking soil-filled height of 40 m

从计算结果中提取涵底的相对竖向位移,涵底相对竖向位移沿管轴线方向的变化如图6所示.

图6 管顶填土高度为40 m时钢波纹管涵洞涵底相对竖向位移沿轴向的变化图Fig.6 Relative vertical displacement along the axial of steel corrugated pipe culvert bottom with pipe-jacking soil-filled height of 40 m

由图6可得,管涵中点与管涵端点的相对沉降为2.507 m；预拱度设置为1.40%.A组涵洞相对竖向位移量见表4,A组模型钢波纹管涵预拱度与管顶填土高度的关系如图7所示.

表4 涵洞相对竖向位移量Tab.4 The vertical displacement of culvert pipe

(注：相对竖向位移是管涵中点与管涵两端管顶的竖向位移差值.)

图7 A组模型钢波纹管涵预拱度与管顶填土高度的关系Fig.7 Relationship between soil-filled height and culvert pipe’s precamber for group A of steel corrugated pipe culvert

分析图7可得,预拱度呈现出随着管顶填土高度增加而增大的趋势.

由A,B,C,D四组模型计算结果可得预拱度设置规律见表5.

表5 预拱度设置Tab.5 Precamber setting

对表5数据进行回归分析,可得管顶填土高度与钢波纹管涵洞预拱度设置回归公式为

Q=0.039 8H-0.105 2,(R2=99.94%)

(1)

式中：Q为预拱度(%)；H为管顶填土高度(m)；R2为拟合度(%).

3 结 论

通过现场试验和室内有限元数值模拟,对钢波纹管预拱度设置进行分析,得到双向四车道高速公路在不同管顶填土高度下预拱度的设置规律为

1) 预拱度随填土高度的增加呈上升趋势；不同管径管涵的预拱度的变化的规律接近,管径对预拱度设置的影响较填土高度小；不同波形的管涵的预拱变化基本一致,波形为预拱度设置的非主要影响因素.

2) 数值分析结果表明,管顶填土高度为5m时,预拱度为0.094%.填土高度为5m以下时,不予设置钢波纹管涵洞预拱度；管顶填土高度为5m以上时,钢波纹管涵洞的预拱度设置按回归公式计算取值.

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SHENWenming.StudyonSoil-CulvertInteractionandStructuralCharacteristicsofCulvertinTransverseandLongitudinalDirection[D].Hangzhou:ZhejiangUniversity,2011.(inChinese)

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HebeiProvinceCommunicationsPlanningandDesignInstitute.GuidelinesforDesignofHighwayCulvert:JTG/TD65-04—2007[S].Beijing:ChinaCommunicationPress,2007.(inChinese)

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CCCCFirstHighwayConsultantsCo.,Ltd.TechnicalStandardofHighwayEngineering:JTGB01—2014[S].Beijing:ChinaCommunicationPress,2014. (inChinese)

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CCCCSecondHighwayConsultantsCo.,Ltd.SpecificationsforDesignofHighwaySubgrades:JTGD30—2004[S].Beijing:ChinaCommunicationPress,2004.(inChinese)

(责任编辑、校对 潘秋岑)

Effect of Pipe-Jacking Soil-Filled Height of Steel Corrugated Pipe Culvert on Precamber Settings

QIANKun1,LIUBailai1,2,GUZhiping1,DUANXianbiao3,ZHOUXiangdong4

(1.School of Civil Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China; 2.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Xi’an 710075,China; 3.The Second Highway Bridge Engineering Co.,Ltd.,Kunming 650205,China; 4.CCCC Fourth Highway Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100024,China)

The adverse effect on the pipe culvert stress and deformation is investigated while precamber setting is too big or too small in the practical engineering.Through field testing and finite element numerical simulation,the corrugated steel culvert precamber settings are studied.The effect of precamber settings of the pipe-jacking soil-filled height is analyzed using finite element model.Results show:The pip-ejacking soil-filled height is main influence factors of precamber setting; The precamber settings increase with the height of pipe-jacking soil-filled;For different pipe diameter, the changing of pipe culvert precamber is relatively similar,which means that the influence of pipe diameter on the precamber setting is non-significant;For different pipe shape,pipe culvert precamber changes basicly unanimously,for precamber,pipe shape is non-main influence factor.

steel corrugated pipe;pipe-jacking soil-filled height;precamber;culvert

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.12.006

2016-03-20 基金资助：青海省交通建设科技项目(2011-02)

钱 坤(1986-),男,西安工业大学硕士研究生.

顾致平(1957-),男,西安工业大学教授,主要研究方向为结构体系与优化设计.E-mail：guzhiping2002@sohu.com.

U449.83

A

1673-9965(2016)12-0976-05