壁厚对波纹钢管涵受力与变形特征影响分析★

黄志福，杨语翔，何金武，韩飞飞，刘 洋

(1.安徽省交通控股集团有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室,安徽 合肥 230601)

0 引言

随着国家公路网的不断完善,山区高速公路建设越来越多,受地形条件的影响,常需设置涵洞用于人行或排水。目前,公路涵洞多采用钢筋混凝土结构,然而,由于施工周期长,运行阶段开裂和地基沉降等病害较多,加固和维修难度大,其经济性和适应性较差。波纹钢因具有较高承载力、较强变形适应能力和造价低等优点受到诸多关注,并成功应用于公路涵洞中,具有广阔的应用前景[1-2]。

20世纪以来,国内外学者开展了波纹钢管涵洞的理论和应用研究,White[3],Reynold[4]等通过研究提出了“环向压力理论”,为波纹钢结构设计提供了理论基础。李宏江[5]对影响其力学性能的高跨比、宽跨比、钢腹板的波纹形状及其板厚等几何参数进行了敏感性研究,结果表明增大钢腹板厚度可以改善结构在偏载作用时的受力性能。王彩君[6]在对比国内外的结构设计方法之后,结合波纹钢板涵的特点,通过Ansys建立了三维有限元模型对波纹钢管涵进行研究,分别讨论了管涵的力学性能与填土高度、钢板厚度、土壤参数以及结构几何尺寸之间的关系。David B G与Ian D. Moore[7]通过喷涂衬板修复波纹钢结构因腐蚀造成的厚度损失,对比实验得出,经过喷涂修复后的波纹钢管涵承载力约有30%的提升。施绪[8]通过对管涵施工过程进行数值模拟分析,发现影响结构承受荷载能力大小的原因主要为回填土密实度和回填施工方法。唐杨等[9]通过建立不同板厚和波高的Abaqus三维模型进行对比发现: 波纹钢管涵的结构变形随着波纹钢板厚度的减小逐渐增大,并且变形增长越来越快; 波高对波纹钢管涵洞变形的影响与钢板厚度的影响相似。

上述文献主要研究了波纹钢管涵的力学性能与填土高度、土壤参数、施工方法、波形等因素之间的关系,但对其力学性能与壁厚之间的关系缺乏研究。波纹钢管涵的壁厚对结构自身的变形和受力起着重要的作用,若壁厚较小,则结构可能发生较大的变形,在回填过程中其应力值可能也会发生较大的增加,从而影响结构的稳定性,造成安全隐患;若结构厚度较大则可能造成施工成本的大大增加,造成不必要的浪费[10]。因此选择合适的壁厚,可以既保证结构的变形及应力在满足规范要求的同时[11],又保证结构经济实用。

本文以桐岳高速六标波纹管人行通道为工程背景,建立不同壁厚(5 mm,6 mm,7 mm,8 mm,9 mm)的波纹钢管涵模型,对不同壁厚的模型进行计算分析,研究壁厚对波纹钢管涵受力性能的影响。

1 数值模型

1.1 计算假定和建模实现

以桐岳高速六标波纹管人行通道为工程背景,采用有限元软件建立数值模型,模型尺寸为12 m×8 m×20 m(宽×长×高),断面尺寸为4×3.2,波形大小为375 mm×125 mm(波长×波高);假定模型仅在上部边界为自由面,而在模型的X轴左右侧水平方向位移、Y轴下部边界竖直方向位移与Z轴前后侧边界水平方向位移均为零;且计算区域内的波纹钢管涵、填土以及地基土等模型材料的材料性质均为各向同性材料。建立的数值模型见图1。

1.2 本构关系和参数选取

采用的材料单元本构关系主要有线弹性本构模型和Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。其中,波纹钢管采用理想线弹性本构模型,填土、垫层和地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,且主要考虑杨氏模量E、泊松比μ、内摩擦角φ和黏聚力c等参数,材料参数如表1所示。

表1 材料参数

2 数值结果分析

2.1 壁厚对结构应力的影响

通过数值分析,得到不同管壁厚度下波纹钢管涵截面的应力云图,如图2所示,截面底部位置为-90°,顶部位置为90°,从截面底部向顶部圆周方向取点,得到不同管壁厚度下截面左半部不同位置的应力变化曲线,如图3所示。

根据图2应力云图可知,波纹钢拱涵的应力集中发生在底板中心位置两侧和拱脚处,而底板和顶板整体应力较小,且随着壁厚的增加,结构最大应力减小较为显著。

对比分析图3中壁厚为5 mm和6 mm的应力变化曲线,可以看出,当壁厚由5 mm增加至6 mm时,结构整体应力值发生了显著的减小,在波峰截面应力最大处减小了约15 MPa,拱脚处减小了约15 MPa,侧板整体应力平均值减小约20 MPa;同时在波谷截面应力最大处减小约10 MPa,侧板整体应力平均值减小约23 MPa,说明当厚度较小时厚度的增加有效控制了应力值,壁厚6 mm的波纹钢管涵在涵顶波峰处应力值相比5 mm管涵涵顶波峰处应力值仅减小7 MPa(波谷截面减小8 MPa),远小于侧板波峰处应力值减小的20 MPa(波谷截面减小16 MPa),说明壁厚由5 mm增加至6 mm时,壁厚的增加对波纹钢管涵的侧板位置处应力变化的影响要大于对涵顶处的影响。壁厚由6 mm增加至9 mm的四个计算工况中,可以发现环向角度在-45°～45°的区域内(即波纹钢结构侧板),每次壁厚的增加都会使得该区域的应力值发生较大的减小,说明壁厚的增大对波纹钢管涵中部位置应力的控制效果较好;而环向角度-90°～-45°的管涵下部区域,在壁厚6 mm到壁厚9 mm的四个工况中,其应力值虽然得到减小,但是减小的幅度并不大,说明壁厚由6 mm增至9 mm对管涵底部区域应力值的影响较小。而涵顶处应力变化与涵底处则不同,壁厚由7 mm增加至9 mm时,管涵上部区域的应力值减小幅度仍较为明显,得到较好的控制。

综合上述分析可得,壁厚的增加会整体降低管涵的应力;壁厚的增加对管涵侧面的应力变化控制效果要好于管涵顶部和底部区域;不同壁厚下的波纹钢管涵波峰截面的应力值最大值在管涵底部位置(波谷截面应力最大值位于侧板下部);波峰截面处涵顶应力值总大于涵底应力值;波谷截面处涵顶应力值总小于涵底应力值。

2.2 壁厚对结构变形的影响

通过数值分析,得到不同管壁厚度下波纹钢管涵截面的位移云图,如图4所示,截面底部位置为-90°,顶部位置为 90°,从截面底部向顶部圆周方向取点,得到不同管壁厚度下截面左半部不同位置的位移变化曲线,如图5所示。

根据图4位移云图可知,波纹钢结构的沉降变形主要发生在底板和顶板部位,侧板主要随底板沉降而发生整体沉降,自身沉降变形较小。壁厚增加对结构的沉降变形改善较不明显。

由图5可以得出,不同厚度下的波纹钢管涵从底部到顶部的位移值逐渐增大,整体上位移变化曲线呈现上升趋势,且当环向角度大于-45°时,位移值的增速减缓。图中可知,不同厚度波纹钢管涵截面在小于-45°时厚度越大,位移越大;在大于-45°时厚度越大,位移越小,这是由于波纹钢管涵的上部变形主要是由于回填覆土引起的,而下部变形主要由于结构自重影响。对比分析厚度为5 mm和6 mm壁厚的波纹钢管涵位移曲线可以发现,两条位移曲线差值较大,尤其是-45°～60°区域,此区域约在波纹钢结构的侧板位置,说明厚度增加1 mm有效减小了波纹钢管涵侧板的位移变化,顶部位置的位移变化同样得到较大减小。当壁厚由6 mm增加至7 mm时,波纹钢结构位移减小较大的区域约是环向角度0°～90°区域,此区域约是管涵的中间腰部至涵顶处,壁厚的继续增大有效控制了结构的上半部分变形;但结构的下半部分变形随着壁厚的增加反而增加,但是增加幅度并不明显。通过对比壁厚为7 mm,8 mm和9 mm三种壁厚下的位移变化曲线可知,三条位移曲线的变化趋势及数值比较接近,此时壁厚的增加虽然会减小结构的变形,但是减小的幅度较小,若实际工程中采取厚度过大的波纹钢板材,则会造成经济浪费。

针对本工程的波纹钢结构来说,通过数值分析的5种壁厚下的结构变形结果显示,采用7 mm的壁厚,既可以有效控制波纹钢管涵的变形,又可以节省造价。

3 结论

1)壁厚的增加会减小管涵的应力;壁厚的增加对管涵侧面的应力变化控制效果要好于管涵顶部和底部区域;不同壁厚下的拱形波纹钢管涵波峰的应力值最大值均在管涵拱脚位置;波谷的应力值最大值均在管涵拱底位置。

2)对于覆土波纹钢拱涵而言,应力集中处于侧板拱脚处,当埋深或结构跨度过大时,可采用其他方法进行加固。

3)壁厚的增加可以减小波纹钢管涵的变形,但减小的效果不明显;考虑到壁厚增加引起的自重变形,应选出一个既经济又安全的壁厚;仅考虑壁厚这一影响因素,波纹钢管涵的较佳壁厚选择为7 mm。