大孔径钢波纹管涵洞受力特征研究及效益分析

张红宇， 吴文清， 梁养辉， 李祝龙， 胡　滨

(1.江西省南昌公路勘察设计院, 江西 南昌　330006；　2.江西省高速公路投资集团有限责任公司, 江西 南昌　330003；　3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安　710075；　4.中国交通建设股份有限公司, 北京　100000)



大孔径钢波纹管涵洞受力特征研究及效益分析

张红宇1， 吴文清2， 梁养辉3， 李祝龙4， 胡滨3

(1.江西省南昌公路勘察设计院, 江西 南昌330006；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司, 江西 南昌330003；3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安710075；4.中国交通建设股份有限公司, 北京100000)

[摘要]通过对大孔径钢波纹管涵洞管内不同角度应力野外现场试验，结合相关钢波纹管涵洞知识，从不同方面研究了其力学性能，得出其受力变形特征。通过研究取得以下结论：填土初期(填筑从管底至管顶)，路中波峰、波谷和波侧均为压应力，且分别在管周330°、管顶0°和管周330°出现最大压应力；填土后期(填筑从管顶至路基顶部)，波峰→波谷→波侧为拉应力为主→拉、压应力平衡→压应力为主的变化过程。直径大于3 m钢波纹管涵洞比同尺寸的混凝土盖板涵造价要降低10%～20%，工期可节省30～50 d。通过大孔径钢波纹管涵洞受力特征及效益分析，对其在工程和设计中应用具有重要指导意义。

[关键词]大孔径； 钢波纹管涵洞； 现场测试； 受力特征； 效益分析

钢波纹管涵洞既有管节薄、质量轻、便于叠置捆扎，存放运输方便、施工组装工艺简单、生产周期和施工期短、使用寿命长等特点，并且在变形较大或易发生不均匀变形地段具有较强适应性，因此具有非常广阔的应用前景。

本文以万宜高速公路A5标桩号CKO+243直径5 m钢波纹管涵洞现场试验为依托。钢波纹管波高50 mm，波长150 mm，壁厚7.0 mm，采用Q235A热轧钢板制成，材料防腐采用表面热浸镀锌，现场安装前内外涂刷防腐沥青。填土从管低至路基顶部，高度为12.04 m。

1实验方案

通过对钢波纹管涵洞管周不同角度粘贴应变片，测定钢波纹管涵洞随填土高度变化的变形特征。

测试部位选取路中线位置管节波峰、波谷、波侧的内壁处，在0°、30°、60°、90°、150°、210°、270°、300°、330°各点沿管节周向布设应力片，共27个点。

将布置好的应力片上的电线另一端接在静态采集仪上，并进行调试，待所有连接无误后开始进行数据采集(见图1)。

图1　钢波纹管涵洞测试断面应力片布设示意图Figure 1　The test section of corrugated pipe culvert

2测试工况

分为管周填土测试(填土从管底至管顶)和管顶填土测试(填土从管顶+0.18 m至管顶+7.04 m)，如表1、表2所示。

表1 管周填土测试工况Table1 Filltesttubeworkingconditions工况填筑高度/m工况填筑高度/m1管底+0.8752管底+1.6553管底+2.160填筑材料为碎石;测试为填筑压实并稳定后4管底+2.6905管底+4.730填筑材料为碎石;测试为填筑压实并稳定后

表2 管顶填土测试工况Table2 Filltesttubetopworkingconditions工况填筑高度/m工况填筑高度/m1管顶+0.182管顶+0.683管顶+1.534管顶+2.535管顶+3.386管顶+3.83填筑材料为素土;测试为填土压实并稳定后7管顶+4.688管顶+5.089管顶+5.6810管顶+6.1311管顶+6.5412管顶+7.04填筑材料为素土;测试为填土压实并稳定后

3钢波纹管测试结果及分析

3.1管内壁应力测试结果及分析

3.1.1管周填土0～5 m应力变化

a. 路中波峰随填土高度增加切向应力。

从图2可以看出: 填土过程中，各测点为压应力。管顶0°～管周210°为减小→增大→减小的交替变化过程，后210°～330°逐渐增大，且在管周330°为最大压应力。填土高度管底+1.655 m时，各测点应力值相对较大。

图2　波峰沿管周角度变化切向应力Figure 2　Crest tangential stress angle variation along the tube circumference

b. 路中波谷随填土高度增加切向应力。

从图3可以看出： 填土过程中，各测点依然为压应力。分为3个阶段： ①管顶0°～管周150°应力值逐渐减小。②管周150°～270°逐渐增大。③管周270°～330°逐渐减小。管顶0°为最大压应力，管周150°、330°压应力值较小，接近0 MPa。

图3　波谷沿管周角度变化切向应力Figure 3　Trough tangential stress angle variation along the tube circumference

c. 路中波侧随填土高度增加切向应力。

从图4可以看出: 填土过程中，各测点为压应力，且曲线均匀变化。管顶0°～管周270°波动变化：0°～90°逐渐增大，90°～270°逐渐减小， 270°～330°又逐渐增大。管周330°为最大压应力，管中90°出现应力集中。

图4　波侧沿管周角度变化切向应力Figure 4　Wave side tangential stress angle variation along the tube circumference

3.1.2管顶填土0～7.04 m(路基顶)应力变化

a. 路中波峰随填土高度增加切向应力。

波峰随填土高度增加切向应力见图5，可看出：

① 管顶+0.18 m至管顶+7.04 m，管周60°、210°为拉应力，且随着填土高度的增加逐渐增大，且管周60°>管周210°；管周150°、300°为压应力，且随着填土高度增加逐渐增大，管周300°>管周150°。

② 管顶0°、330°最初为压应力，随着填土高度增加逐渐减小，后转为拉应力(约在管顶+2.53 m位置)，并逐渐增大。应力值与填土高度的增长斜率为管周330°>管顶0°。

③ 可以看出，管周不同位置随填土高度增加受不同应力，整体上管周60°、330°受较大拉应力，管周300°受最大压应力。

④ 管周30°、90°、270°由于应力片失效未能测出。

图5　波峰随填土高度增加切向应力Figure 5　Crest tangential stress with the fill height increase

b. 路中波谷随填土高度增加切向应力。

波谷随填土高度增加切向应力见图6，可看出：

① 填土从管顶+0.18 m到管顶+7.04 m过程，管周60°、300°为拉应力，且随着填土高度的增加逐渐增大，数值相近；管周270°、210°、330°为压应力，随着填土高度增加逐渐增大，且压力值管周270°>管周210°>管周330°。

② 管周90°、150°应力值接近于零，说明管侧中间部位受力较小。

图6　波谷随填土高度增加切向应力Figure 6　Trough tangential stress with the fill height increase

c. 路中波侧随填土高度增加切向应力。

波侧随填土高度增加切向应力见图7，可看出：

① 管顶0°、管周210°整体上为拉应力，随着填土增加逐渐增大，在管顶+5.68 m出现应力集中。

② 管周30°、60°、90°、150°、270°、300°及330°整体上为压应力，随着填土高度增加逐渐增大，且在管顶+3.38 m、管顶+5.68 m时出现应力集中。

图7　波侧随填土高度增加切向应力Figure 7　Wave side tangential stress with the fill height 　　　increase

d. 路中波峰、波谷、波侧随填土高度增加切向应力对比分析。

通过对比图5～图7可以看出：

① 填土从管顶+0.18 m至管顶+7.04 m过程，波峰→波谷→波侧变化为：拉应力为主→拉、压应力平衡→压应力为主的变化过程。

② 管周不同位置随填土高度增加受不同应力，填土初期(小于管顶+1.53 m)各测点为拉(或压)应力不明显，填土管顶+2.53 m至路基顶，各测点拉(或压)应力保持不变并随着填土高度的增加逐渐增大。

③ 当填土管顶+0.6 m时，波谷、波侧出现波动变化，此时波纹管最不稳定，为最不利工况。此时波纹管与土体还未形成稳定的土拱效应。

e. 路中波峰沿管周角度变化切向应力。

从图8可以看出： 管顶0°整体受拉，管周60°拉应力逐渐增大，在管周150°又整体受压，后逐渐减小在管周210°为拉应力，逐渐减小至300°为压应力，330°分为两个阶段：一部分依然为压应力并逐渐减小，另一部分转化为拉应力并迅速增大。管周30°、90°由于应力片失效，部分数据未测出。

图8　波峰沿管周角度变化切向应力Figure 8　Crest tangential stress angle variation along the tube circumference

综合上述可以看出，

① 管顶0°～管周330°为拉应力→压应力→拉应力→压应力→拉应力的交替变化过程。且整体上管周60°为最大拉应力，管周300°为最大压应力。

② 各个角度应力值随填土高度增加变化较小，具有较强的一致性。

f.路中波谷沿管周角度变化切向应力。

从图9可以看出: 管周60°～150°整体上为拉应力，且较为稳定，管周210°～330°为压应力→拉应力→压应力交替变化的过程。管周300°出现应力集中。

图9　波谷沿管周角度变化切向应力Figure 9　Trough tangential stress angle variation along the tube circumference

g. 路中波侧沿管周角度变化切向应力。

从图10可以看出： 除管顶0°部分数值、管周210°为拉应力外，其余角度均为压应力，且数值接近。管周210°出现应力集中，施工时应作为重点位置进行观测。

图10　波侧沿管周角度变化切向应力Fig.10　Wave side tangential stress angle variation along the 　　　tube circumference

h. 路中波峰、波谷、波侧沿管周角度变化切向应力对比。

通过对比图8～图10可以看出：波峰、波谷、波侧最大应力多出现在管周60°、90°、210°、300°、330°位置，都在管周210°出现应力集中。波侧除210°突变为拉应力外，其余角度同一填土高度下压应力曲线较为平缓，数值接近。

4效益分析

4.1经济效益分析

江西万宜高速应用波纹管涵洞与同一标段同尺寸的钢筋混凝土盖板涵造价比较结果见表3，可看出：A1标段1-φ4.0，涵长163 m的钢波纹管涵比1孔4*4的钢筋混凝土盖板涵减少35.86万元，节省造价11.5%；A2标段1-φ3.0，涵长138 m的钢波纹管涵比1孔3*3的钢筋混凝土盖板涵减少30.36万元，节省造价20.2%；1-φ4.0，涵长123 m的钢波纹管比1孔4*4.5的钢筋混凝土盖板涵减少40.59万元，节省造价18.2%；A5标段1-φ4.0，涵长98.5 m的钢波纹管比1孔4*4的钢筋混凝土盖板涵减少21.67万元，减少造价11.5%；1-φ5.0，涵长175.5 m的钢波纹管比1孔6*5的钢筋混凝土盖板涵减少54.41万元，减少造价11.4%；3个标段共减少182.89万元，减少造价13.5%。施工工期一处可节省30～50 d，五处共可节省150～250 d。

4.2社会效益分析

相比于普通钢筋混凝土涵洞，钢波纹管涵洞造价要低于同类型结构。养护时只需定期涂刷沥青，普通混凝土涵洞一定时期需进行翻修甚至重建，钢波纹管涵洞相比较于普通混凝土涵洞大大减少了人力、财力的投入，减少了废旧混凝土涵拆除所产生的建筑垃圾及环境污染，符合我国经济节约型、环境友好型社会理念。钢波纹管涵的大量应用还可解决钢结构产能过剩问题，促进钢结构产业经济发展，减少施工环境污染，减少圬工用量和对石料、黄砂的开采，同时废弃的钢波纹管可回收循环利用，避免了环境破坏及污染，符合绿色交通发展理念。

表3 钢波纹管涵洞与同尺寸钢筋混凝土盖板涵对比表Table3 Corrugatedsteelculvertwiththesamesizeofreinforcedconcreteculvertcomparisontable标段类型长度/m单价/万元总造价/万元对比类型跨径/m单价/万元总造价/万元增减金额/万元节省比例/%A1标1-ϕ4钢波纹管涵1631.92312.96钢筋混凝土盖板涵4*42.14348.82-35.86-11.5A2标1-ϕ3钢波纹管涵1381.09150.42钢筋混凝土盖板涵3*31.31180.78-30.36-20.21-ϕ4钢波纹管涵1231.81222.63钢筋混凝土盖板涵4*4.52.14263.22-40.59-18.2A5标1-ϕ4钢波纹管涵98.51.92189.12钢筋混凝土盖板涵4*42.14210.79-21.67-11.51-ϕ5钢波纹管涵175.52.72477.36钢筋混凝土盖板涵6*53.03531.77-54.41-11.4小计1352.491535.38-182.89-13.5

5结论

① 管周填土0～5 m钢波纹管由于受两侧碎石挤压，管顶周围受力变形最大。

② 管顶填土0～7.04 m(路基顶)，波峰→波谷→波侧为拉应力为主→拉、压应力平衡→压应力为主的变化过程。

③ 管顶填土0～7.04 m(路基顶)，波峰、波谷、波侧都在210°出现应力集中。

④ 直径大于3 m钢波纹管涵洞比同尺寸的混凝土盖板涵造价要降低约10%～20%，工期可节省30～50 d。

⑤ 目前，国内对大孔径钢波纹管涵洞在公路工程中应用还较少，关于大孔径钢波纹管涵洞施工过程中受力变形研究更少，本试验对同类钢波纹管涵洞设计、施工有一定参考作用。

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Study on the Stress Characteristic and Benefit Analysis of the Large Diameter Steel Corrugated Pipe Culvert

ZHANG Hongyu1， WU Wenqing2， LIANG Yanghui3， LI Zhulong4， HU Bin3

(1.Nanchang Highway Survey and Design Institute of Jiangxi Province, Nanchang, Jiangxi 330006, China; 2.Jiangxi Province Highway Investment Refco Group Ltd, Nanchang, Jiangxi 330003, China;3.CCCC First Highway Consultants Co., LTD,Xi’an, Shaanxi 710075, China; 4.China Communications Construction Company Limited, Beijing 100000, China)

[Abstract]Through the field test of the stress on the steel corrugated pipe culverts from different angles, combine with the relevant knowledge of steel corrugated pipe culverts, and study the mechanical properties of steel corrugated pipe culverts in different aspects, We obtain the force deformation characteristics of steel corrugated pipe culverts. By studying, it can draw these following conclusions: In the initial filling (filling from the bottom of the tube to top), the stress of crests, troughs and wave side are expressed as compressive stress, and the maximum compressive stress respectively appear in Steel Bellows Week 330 °, 0 °and 330 °；In the late filling (filling from the bottom of the tube to top), the stress perform as: crests → troughs → wave side are expressed as tensile stress →balance of tension and compression strain →main compressive stress. The manufacturing cost of steel corrugated pipe culvert, which diameter is more than 3m is reduced by 10%～20% than the same size concrete slab culvert and the time limit can save 30 to 50 days for a project. By studying the application of corrugated steel culvert and deformation characteristics, it is of important guiding significance in engineering and design applications of the large diameter corrugated steel pipe culvert.

[Key words]large aperture; corrugated steel pipe culverts; field test; force characteristics; benefit analysis

[中图分类号]U 449.83+1

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0196—05

[作者简介]张红宇(1968—)，女，江西兴国人，高级工程师，主要从事道路工程方向。

[收稿日期]2015—01—12