摘要：為探究波紋管內(nèi)襯加固箱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以RWC570鄉(xiāng)村公路升級維護項目為研究背景，對波紋管內(nèi)襯加固箱涵的受力特性進行研究。分析不同內(nèi)襯箱涵應(yīng)力、位移及環(huán)向應(yīng)變。研究結(jié)果表明：兩點加載下，波紋鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱變形性能，優(yōu)于圓鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱。需要控制變形量和裂縫寬度，以保證鋼筋混凝土箱的安全和耐久性。波紋管內(nèi)襯加固箱涵具有較好的抗彎承載能力和變形能力，能有效提高箱涵的使用壽命和安全性。

關(guān)鍵詞：波紋管；加固箱涵；受力特性

0 引言

在基礎(chǔ)設(shè)施中，涵洞是用于跨越地形障礙的重要工程，其應(yīng)用范圍廣泛。在涵洞結(jié)構(gòu)中，波紋管是常見的一種結(jié)構(gòu)形式，其具有構(gòu)造簡單、施工方便、成本較低等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于涵洞的建設(shè)中[1]。

對波紋管內(nèi)襯加固箱涵展開研究，有利于提高波紋管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震能力，延長其使用壽命并增強其安全性[2]。目前國內(nèi)已有多位學者對波紋管內(nèi)襯加固箱涵進行了研究，并取得了一定成果。張振[3]系統(tǒng)地闡述了波紋管內(nèi)襯加固箱涵的主要問題和解決方法，介紹了不同的加固技術(shù)，包括使用鋼筋混凝土、地獄草纖維、聚合物及其他材料作為波紋管內(nèi)襯的加固措施，發(fā)現(xiàn)適當?shù)募庸檀胧┛梢燥@著提高波紋管的強度和剛度。宮亞峰等[4]利用塑性分析方法，探討了通過內(nèi)襯管加固的波紋鋼管的受力特性。研究結(jié)果表明，內(nèi)襯管可以顯著提高波紋鋼管的承載能力和剛度，并減少局部變形的發(fā)展。朱承鴻[5]基于實驗，對加筋波紋鋼管的結(jié)構(gòu)行為進行了詳細研究，發(fā)現(xiàn)在適當?shù)募庸檀胧┫?，加筋波紋鋼管的承載能力和變形性能得到了顯著提高。王述紅等[6]利用層合梁模型對內(nèi)襯管加固的波紋金屬管的受力特性進行了建模分析。結(jié)果表明，內(nèi)襯管的加固可以顯著提高波紋金屬管的剛度和承載能力，并減小其撓度。

本文以RWC570鄉(xiāng)村公路升級維護項目為研究背景，從物理力學和結(jié)構(gòu)力學角度出發(fā)，探究不同加固方式對波紋管內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的力學表現(xiàn)的影響，為加固波紋管提供科學、實用的技術(shù)方法和理論指導。

1 工程概況

RWC570鄉(xiāng)村公路升級維護項目位于東非國家肯尼亞首都內(nèi)羅畢以西方向約230km左右的博美特郡，施工內(nèi)容是鄉(xiāng)村道路升級改造。當?shù)孛磕?～5月為大雨季，11～12月為小雨季，雨季水量充沛，箱涵排水具有鮮明的季節(jié)特性。

設(shè)計箱涵平均5m厚度內(nèi)土為黑黏土，根據(jù)設(shè)計進行換填處理。建成后基礎(chǔ)處于粉質(zhì)壤土層中，該層土具有較高的強度，能滿足承載力要求。該層土的滲透性較低，且下部厚度較大，因此基本可以忽略滲透變形的影響。

2 試驗設(shè)計

2.1 構(gòu)件設(shè)計

2.1.1 鋼管箱涵總體設(shè)計

本文提出了一種利用波紋管內(nèi)襯加固的方法，以提高箱涵的承載能力。本文根據(jù)波紋管的尺寸、內(nèi)襯的材料、內(nèi)填料的性能等因素，設(shè)計了2種不同材質(zhì)的鋼管箱涵。這兩種箱涵具有較高的強度和剛度，能夠抵抗較大的荷載和變形。

2.1.2 內(nèi)襯設(shè)計

為了提高波紋管箱涵的剛度和抗裂性，本文采用C30混凝土作為內(nèi)襯的材料，并預(yù)制了內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)，其中包括頂部的拱形和底部的平板。內(nèi)襯的厚度為200mm，內(nèi)部設(shè)置鋼筋網(wǎng)，以增強內(nèi)襯的抗拉強度和延性。

2.1.3 選擇內(nèi)填料

為了消除波紋箱涵和內(nèi)襯之間的空隙，防止波紋箱涵的變形和內(nèi)襯的開裂，選擇沙土作為內(nèi)填料。沙土具有較好的流動性和填充性，能夠緊密地填充在波紋箱涵和內(nèi)襯之間，但其強度較低，不利于傳遞荷載。成品加固箱涵如圖1所示。

2.1.4 不同類型內(nèi)襯箱涵參數(shù)

本研究設(shè)計了3種不同類型箱涵，以探究不同參數(shù)箱涵受力特性，試件詳細參數(shù)見表1。表1展示了3種不同類型的內(nèi)襯箱涵。

2.2 測點布置

采用液壓千斤頂和加載板作為加載系統(tǒng)，對試件進行兩點加載試驗，使試件的上下兩端受到集中荷載的作用。加載板的尺寸為1200mm×1500mm。液壓千斤頂內(nèi)部裝有壓力傳感器，用于測量荷載的大小。試件的測點布置見圖2。在各測點處，分別在箱涵的內(nèi)壁和外壁安裝應(yīng)變計，用于測量環(huán)向應(yīng)變。并使用位移計測量試件的位移。

3 結(jié)果分析

3.1 變形狀況分析

3.1.1 直徑變化

圖3中展示了試件RCP1、RRCP1和RRCP2的荷載-直徑變化值曲線。這些試件分別代表未加固的鋼筋混凝土箱、波紋鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱和圓鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱。

從圖3的形狀可以看出，RCP1的曲線呈雙曲線狀，說明其直徑變化值隨荷載的增加而增加。直到達到極限荷載時，直徑變化值急劇降低，說明其已經(jīng)破壞。RCP1的極限荷載約為300kN，對應(yīng)的直徑變化值約為-20mm。RRCP1的曲線呈折線狀，說明其直徑變化值在荷載增加過程中先緩慢增加，然后突然增大，最后又突然降低，說明其經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和破壞階段等3個階段。RRCP1的極限荷載約為800kN，對應(yīng)的直徑變化值約為-40mm。RRCP2的曲線呈平滑狀，說明其直徑變化值在荷載增加過程中平穩(wěn)地增加，直到達到極限荷載時，直徑變化值略有下降，說明其具有較高的延性和韌性。RRCP2的極限荷載約為1100kN，對應(yīng)的直徑變化值約為-10mm。

3.1.2 總體變形

從圖3還可以看出，兩點加載下，未加固的鋼筋混凝土箱RCP1的豎向變形明顯大于水平變形。在加載位置的混凝土箱出現(xiàn)剪切形變，進而使箱涵的豎直方向形變增大。

3.1.3 安全和耐久性控制措施

綜上所述，波紋鋼管內(nèi)襯加固是一種有效的提高鋼筋混凝土箱強度和剛度的方法，但也會增加裂縫的風險。兩點加載下，波紋鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱變形性能優(yōu)于圓鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱，為此要控制變形量和裂縫寬度，以保證鋼筋混凝土箱的安全和耐久性。

3.2 剛度變化分析

3.2.1 主要參數(shù)對比

圓鋼管試驗結(jié)果如表2所示。通過對比波紋鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱涵RRCP1和RRCP2與未加固的鋼筋混凝土箱涵RCP1的軸向力可以發(fā)現(xiàn)，加固的箱涵具有更高的承載能力。

初始剛度和割線剛度反映了試件在彈性和塑性階段的截面剛度。表2中的數(shù)據(jù)表明，加固的箱涵在這兩個階段都有更高的初始剛度和屈服剛度，說明加固的方法能夠增強箱涵的剛度。直徑變化值表示試件在受力時的變形程度。表2中的數(shù)據(jù)表明，加固的箱涵有更小的直徑變化值，說明加固的方法能夠減少箱涵的變形。

3.2.2 內(nèi)襯加固效果

鋼筋混凝土箱涵的內(nèi)襯加固技術(shù)可以顯著提高其承載力、剛度和延性，是一種具有工程實用價值的加固方法。本文分析圓鋼管和波紋鋼管兩種不同的內(nèi)襯材料對箱涵受力性能的影響，發(fā)現(xiàn)圓鋼管內(nèi)襯可以增強箱涵的極限承載力、剛度和變形能力。而波紋鋼管內(nèi)襯雖然也可以提高箱涵的極限承載力、剛度和變形能力，但其延性較低，易于產(chǎn)生脆性破壞。因此，在選擇和設(shè)計內(nèi)襯材料時，需要根據(jù)工程實際需求進行合理的優(yōu)化。

根據(jù)圖3和表2的數(shù)據(jù)可知，波紋鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱RRCP2在極限承載力、初始剛度和割線剛度等方面，均顯著優(yōu)于未加固的鋼筋混凝土箱RCP1和圓鋼管內(nèi)襯加固的鋼筋混凝土箱RRCP1。這表明波紋鋼管內(nèi)襯加固能有效增強鋼筋混凝土箱的強度和剛度，提高其在壓力、彎曲和剪切等方面的抗性。

3.3 截面應(yīng)變分析

3.3.1 應(yīng)變值

圖4展示了在100kN的荷載作用下，各試件鋼筋混凝土箱內(nèi)外表面的環(huán)向應(yīng)變分布特征。從圖4可以明顯看出，內(nèi)表面的應(yīng)變值主要分布在管頂A截面和管底E截面，而外表面的應(yīng)變值主要分布在管側(cè)C、G截面。

這表明在兩點加載下，鋼筋混凝土箱的內(nèi)外表面承受不同的力學效應(yīng)，內(nèi)表面的彎曲應(yīng)力較為顯著，外表面的剪切應(yīng)力較為突出。箱肩截面的應(yīng)變值相對較低，說明管肩截面的受力較為輕微。

3.3.2 應(yīng)變分布對抗拉能力影響

將加固管RRCP1和RRCP2的應(yīng)變分布與破壞管RRCP1的應(yīng)變分布進行對比，以分析不同加固方式對鋼筋混凝土箱的抗拉能力的影響。對比發(fā)現(xiàn)，采用波紋鋼管作為加固內(nèi)襯，能夠有效降低混凝土箱涵的內(nèi)表面及外表面的受拉應(yīng)變，其抗拉性能得到顯著提升。其中，波紋管內(nèi)襯加固箱涵內(nèi)外表面的最大拉應(yīng)變降低幅度都高于圓鋼管內(nèi)襯加固管。這可能與波紋鋼管內(nèi)襯加固管的波紋形狀有關(guān)，該形狀能增強與鋼筋混凝土箱的粘結(jié)力，提升加固管的整體性能。

3.3.3 抗裂能力與加固效果

根據(jù)試驗結(jié)果，各試件的應(yīng)變分布與截面形狀和加固措施密切相關(guān)，反映了不同箱涵的彎曲性能。相比于未加固的RCP1試件，采用內(nèi)襯鋼管加固的RRCP1和RRCP2試件的應(yīng)變水平都有明顯降低，說明內(nèi)襯鋼管加固能夠有效提高箱涵的抗裂能力。此外，波紋鋼管內(nèi)襯的RRCP1試件的應(yīng)變分布更為均勻，說明波紋鋼管內(nèi)襯的加固效果優(yōu)于圓鋼管內(nèi)襯的加固效果。

4 結(jié)束語

本文基于RWC570鄉(xiāng)村公路升級維護項目排水工程，對波紋管內(nèi)襯加固箱涵的受力特性進行了研究。文中分析了不同內(nèi)襯箱涵應(yīng)力、位移及環(huán)向應(yīng)變。得到研究結(jié)果如下：兩點加載下，未加固的鋼筋混凝土箱的豎向變形明顯大于水平變形。在加載位置的混凝土箱出現(xiàn)剪切形變，進而使箱涵的豎直方向形變增大。采用波紋鋼管作為加固內(nèi)襯，能夠有效降低混凝土箱涵的內(nèi)表面及外表面的受拉應(yīng)變，其抗拉性能得到顯著提升。波紋鋼管內(nèi)襯加固管的加固效果優(yōu)于圓鋼管內(nèi)襯加固管。這可能是因為波紋鋼管內(nèi)襯加固管的波紋形狀可以增加與鋼筋混凝土箱的粘結(jié)力，從而提高加固管的整體性能。

參考文獻

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