鋼板波紋管涵設(shè)計(jì)與施工探析

姜明坤，倪 玲

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司)

1 工程及設(shè)計(jì)概況

1.1 工程技術(shù)指標(biāo)

涵洞孔徑:0.5～8.0 m，涵洞交角:0°～45°，設(shè)計(jì)荷載:公路-Ⅰ級、公路-Ⅱ級，地震動峰值加速度系數(shù):0.10 g，地基的容許承載力為:180 kPa以上，填土容重為:γ=19 kN/m3，鋼波紋管的設(shè)計(jì)使用壽命可以達(dá)到100年。

1.2 工程設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)鍵

(1)假設(shè)土體和波紋管均為彈性體。

(2)活載計(jì)算理論:采用角度分布法計(jì)算，不考慮存在于涵洞頂土柱和周圍填土間的摩擦力，運(yùn)用半無限彈性體理論，進(jìn)行核算。

(3)計(jì)算埋置式波紋管，要考慮波紋鋼板管與土體之間的共同作用。假設(shè)在界面上土體和波紋管沒有滑移，通過共同的節(jié)點(diǎn)位移，實(shí)現(xiàn)它們之間的相互作用。當(dāng)波紋管的柔度達(dá)到一定的數(shù)值后，穩(wěn)定問題成為關(guān)鍵性的因素。因此，要根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)來建立平衡方程，采用幾何非線性的分析方法，考慮第二類穩(wěn)定問題。有限元程序:可以采用大型通用有限元程序進(jìn)行計(jì)算，如ANSYS等。

(4)暗涵的公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級在荷載的計(jì)算上面，所采用的規(guī)范是同一套。

(5)土重:按土柱重理論計(jì)算，土容重19 kN/m3，內(nèi)摩擦角 φ =30°。

1.3 工程設(shè)計(jì)構(gòu)造的關(guān)鍵

(1)對于大跨徑波紋管為分片拼裝，而小跨徑波紋管則采用法蘭螺栓連接、整管節(jié)拼裝，它是圓形整體管。

(2)洞口形式有兩種，分別是傾斜式與八字式。當(dāng)采用傾斜式時，應(yīng)保證路基邊坡穩(wěn)定;當(dāng)采用八字式時，要保證洞口水流條件較好，這樣其造價也會較低。

(3)鋼板波紋管加工后須采用鍍鋅鋼板加工，采用熱鍍鋅等進(jìn)行防腐處理，需要注意的是在加工后必須進(jìn)行二次處理。

(4)整體管連接法蘭采用角鋼、鋼板制作，波紋板焊接采用對焊接頭。整體管與分片拼裝管的緊固件采用國標(biāo)中的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，其強(qiáng)度和規(guī)格應(yīng)滿足力學(xué)要求，且不低于管材強(qiáng)度要求。墊片與緊固件相配。螺栓與螺母均采用熱浸鍍鋅處理。

(5)管壁及配套附件均經(jīng)過熱浸鍍鋅處理，保證管壁厚度比正常使用情況下管壁厚度增加0.5 mm，而鍍鋅層的平均厚度要大于84 μm。涵管要涂涮兩遍瀝青才能運(yùn)至施工現(xiàn)場后。

(6)密封材料采用方形的橡膠密封圈或方形石棉盤根密封條，這種材料耐久性能較好。

(7)基礎(chǔ)構(gòu)造:上層采用級配砂礫，下層采用級配良好的粗砂。

語言分析與應(yīng)用中，不同的人其表達(dá)方法與方式不同，但一定程度上，語言應(yīng)用與作品意境解析能力，是個體文學(xué)修養(yǎng)的充分反映。例如經(jīng)常講到的，文學(xué)修養(yǎng)高的人，秋天夕陽下，看到湖邊的鳥，其可能會講到“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”的意境深遠(yuǎn)的經(jīng)典詩句；如果沒有文學(xué)修養(yǎng)，那么其也就只能有“好多鳥啊，好漂亮的風(fēng)景啊”的表達(dá)。兩者之間的差距是非常明顯的，因而語言應(yīng)用與意境解析，是個人文學(xué)修養(yǎng)的全面體現(xiàn)。

2 力學(xué)模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

2.1 有限元模型

為了分析復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通過對分析對象的離散后集成，運(yùn)用有限元的方法，自由處理各種復(fù)雜形狀、任意荷載分布、特殊邊界條件等等。該方法是近些年才發(fā)展起來的現(xiàn)代力學(xué)手段，已經(jīng)成為現(xiàn)代工程應(yīng)用的強(qiáng)大工具，能夠滿足計(jì)算機(jī)能力的不斷發(fā)展。對于埋置式波紋管的計(jì)算，關(guān)鍵就是要加強(qiáng)對波紋鋼板管與土體的共同作用的考慮。假定波紋管和土體在界面上沒有滑移，它們之間的相互作用通過共同的節(jié)點(diǎn)位移實(shí)現(xiàn)。

可以采用兩種計(jì)算模式來分析，分別是空間有限元模型和平面有限元模型。

2.2 空間有限元模型

對于鋼質(zhì)橢圓形波紋板涵管，要根據(jù)波紋板的實(shí)際形狀，采用空間殼單元模擬，來建立空間幾何模型。

涵洞外圍土體要保證與波紋板的接觸面形狀與波紋板一致，采用三維實(shí)體單元。

有關(guān)的材料常數(shù)參照下面的平面有限元模型。

2.3 平面有限元模型

(1)波紋管的簡化

圖1，圖2為波紋鋼板構(gòu)件。波紋鋼板管由波紋鋼板構(gòu)件構(gòu)成，用高強(qiáng)螺栓連接。

波紋鋼板管簡化為梁單元，對于波紋間距200 mm，波紋中心高度55 mm的波紋，鋼材彈性模量Es取2.1×105MPa。

圖1 波紋鋼板構(gòu)件

圖2 波紋鋼板構(gòu)件

(2)土體的計(jì)算模型及參數(shù)選取

土體假設(shè)為空間彈性體，服從于虎克定律。其彈性性質(zhì)用土體的彈性模量E0和泊松比μ來表征。

土的容重γ=1.8 t/m3

土的內(nèi)摩擦角φ=30°

土的泊松比μ=0.25

土的彈性模量E0=30 MPa

3 鋼板波紋管涵施工工藝

3.1 施工工藝流程

鋼板波紋管涵的施工工藝流程有十九部分，分別是:施工前準(zhǔn)備→施工放樣→設(shè)置圍堰→排水清淤→平整場地→基礎(chǔ)分層回填→檢測含水量、壓實(shí)度等→水準(zhǔn)測量→平整場地→施工放樣→拼裝管節(jié)(板片)→檢測密水情況及管底縱坡→檢測并涂刷防腐涂層→涵管就位→兩側(cè)分層回填→檢測含水量、壓實(shí)度等→管頂分層回填→檢測含水量、壓實(shí)度等→進(jìn)出口處理。

涵管在安裝前，要均勻鋪設(shè)7～15 cm的砂墊層于基礎(chǔ)頂部，并按圖紙要求，進(jìn)行拼裝波紋板或鋼波紋管節(jié)。

要根據(jù)實(shí)際情況，連接安裝波紋管涵洞，同時對其進(jìn)行排放。當(dāng)涵洞兩側(cè)的入、出口有相同的路基坡度斜率時，可以先安裝中間管段，留出的水入口和出口的位置。待中間管部分完全安裝完成后，再安裝和校正入口和出口。安裝時，要逐根排放，從一側(cè)開始安裝，使得它的中心線和基礎(chǔ)縱向中心線平行，相同的方法將第二根管安裝到位。當(dāng)相鄰的兩個管法蘭間相距3～5 cm的距離之間時，從第二節(jié)管的另一端用撬杠撬動管節(jié)，用小撬棍對準(zhǔn)凸緣法蘭上的螺栓孔，穿上所有的螺栓，擰緊螺絲，平扣，逐節(jié)依次連接，這樣能使管體縱向平移到兩個凸緣法蘭間距2 cm左右。

墊石棉墊:嚴(yán)格根據(jù)現(xiàn)場地形等方面的實(shí)際情況，當(dāng)管子頂部兩法蘭間距較大，石棉墊鑲嵌困難時，要使用綁線，將石棉墊固定在螺栓上，然后對稱擰緊螺絲，這是由工人開始的。當(dāng)相鄰兩法蘭之間間距較小時，通過使用錘子、鑿子，把兩者之間的法蘭擴(kuò)大到1 cm的縫隙，然后再用螺絲刀把石棉墊卡在中間。直到從外面看只有2～5 mm的間隙。管壁內(nèi)外涂瀝青:乳化瀝青或熱瀝青，通過外觀觀察，里面和外面涂抹均勻的瀝青。通常瀝青涂層厚度達(dá)到0.3～1 mm。為了保證中心和設(shè)計(jì)的中心線重合，要用千斤頂校正整個涵洞管。

拼裝型鋼波紋管安裝步驟。拼裝型波紋管根據(jù)截面形狀的不同可分為非閉合截面波紋管和閉合截面波紋管。

其中非閉合截面波紋管拼裝側(cè)板要由兩側(cè)向上順次拼裝半環(huán)形圈，它是以混凝土立墻涵洞中心的預(yù)埋件上螺栓孔為基準(zhǔn)，以此為起點(diǎn)向兩側(cè)延伸，定位第一張波紋板，直至二端。

而閉合截面波紋管要由下向上順次拼裝環(huán)形圈。圓周向連接采用階梯形，搭接部分上板復(fù)蓋下板，也就是保證上面二塊板的連接疊縫與下面二塊板的疊縫錯位，當(dāng)連接孔對正以后，再用螺栓由內(nèi)向外插入孔位，用套筒扳手預(yù)緊螺母。

3.2 安裝中其他注意事項(xiàng)

在安裝中，為了避免受水位升高等浮力影響，應(yīng)采取錨固設(shè)施，這樣不僅能夠減少水位升高的影響，還能防止管在回填中上浮。如果在施工過程中，現(xiàn)場環(huán)境對鋼波紋管涵有腐蝕，這時就應(yīng)采取增涂保護(hù)膜或增加管壁厚度等措施。管徑大于3 m的鋼波紋管，如鋼波紋管兩端洞口為一字墻形式，應(yīng)將洞口采用鋼筋混凝土加強(qiáng)。如波紋管涵的涵底縱坡大于5%，應(yīng)采用必要的防滑移措施。如使用地區(qū)山區(qū)沖涮嚴(yán)重，可在管內(nèi)壁下方弧長2/3處采用混凝土護(hù)壁。

地基為軟基時，一定要進(jìn)行特殊處理，盡可能設(shè)置比較大的預(yù)拱度。因南方雨水多，涵管回填材料必須采用透水性好的級配砂礫或級配碎石。涵管回填遇到分幅施工時，接頭處的回填質(zhì)量要特別控制。如遇到在管體修臨時便道時，盡可能設(shè)在上下游洞口處，其他處回填完工后，便道及虛填部分要進(jìn)行開挖，重新回填密實(shí)。洞口端墻基礎(chǔ)及截水墻埋置深度要符合設(shè)計(jì)要求，否則會導(dǎo)致地基滲水，引起地基沉降。

4 結(jié)語

鋼波紋管涵廣泛使用在多年軟土、凍土、膨脹土、濕陷性黃土等地區(qū)的高填方路基中，具有非常明顯的優(yōu)勢，其力學(xué)性能十分優(yōu)越，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀，已形成較成熟的設(shè)計(jì)和施工工藝，能夠比鋼筋混凝土拱涵、箱涵、板涵更能適應(yīng)各種不同路基。

[1]李祝龍，劉百來，李自武.鋼波紋管涵洞力學(xué)性能現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J］.公路交通科技，2006，(3).

[2]劉成志.鋼波紋管涵洞在公路建設(shè)中應(yīng)用技術(shù)分析[J］.公路交通技術(shù)，2009，(4).