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摘要：波纹管涵是由波纹管或波纹板通过连接，组装成一个涵洞的形式。从结构和功能的关系方面分析，钢波纹管的性能比较灵活。钢波纹涵洞可以适应地基变形等环境，同时也能解决不均匀沉降问题。由于轴向波纹钢波纹管涵洞具有优良的机械性能，由于轴向和径向可分散到更大程度的应力集中，引起应力、应变分布负载等的优点。尤其是冻土、膨胀土和湿陷性黄土地区、岩土工程等不良工程，波纹钢管涵施工有许多优点，同时也具有广阔的应用前景。本文对公路钢波纹管涵洞设计与施工进行了简要分析。
关键词：公路工程；钢波纹管涵洞设计；施工
1钢波纹管涵的介绍
钢波纹管涵是指利用机械施工手段将钢波纹管和土密切结合在一起，以形成一个完整的抗车辆荷载涵洞形式。钢波纹管涵在公路涵洞施工中的应用优势主要体现在以下方面。第一，钢波纹管对地基的要求较低，且在地基处理这一环节上无需花费较多的费用，且基本是在保破坏原地基的基础上进行施工的，尤为适用于北部的软土、冻土等地区，对保证路基内部的水热平衡等具有重要作用。第二，采用圆形设计，结构受力较矩形结构更为合理，荷载分布均匀，抗变形能力、耐久性强，减少通车后养护成本等。第三，管涵通常采用标准化设计、工厂化加工、施工工艺简单，能明显缩短工期并降低施工成本。第四，钢波纹管涵四周均涂刷了防腐涂料，故其耐腐蚀性及耐久性能更好。
2钢波纹管的壁厚分析
结合我国一些典型的公路钢波纹管涵洞施工工程，通常所采用的钢材其应力强度选取的推荐值为230MPa，为了进一步提升涵洞的安全性能，综合考虑管径的厚度浮动值以及未来可能受到的腐蚀，把钢波纹管的安全系数定位在2.0左右，由此可以计算出其受力的最大标准值为171MPa。结合工程标准计算方法能够得到：当钢波纹管的直径在1.5m的时候，如果管壁厚度为3mm，则在钢波纹管的顶部填加低于5m的土，并经挂车的情况下，其受力的峰值均未达到171MPa，其最高值为121MPa。在钢波纹管的顶部填加低于10m的土，如果管壁厚度为3mm及4mm，则其受力的峰值可超过171MPa，最高值为182.5MPa。由以上的分析计算可知，假如钢波纹管的直径取1.5m，则在顶部添加低于5m的土时，管径在3mm即可满足要求；而在顶部添加低于10m的土，需要选取6mm的管壁厚度。
结合以上的分析，并综合考虑钢波纹管由于腐蚀而导致的管壁受力强度影响，本文采用L140H70的钢波纹管，结合不同的填土量来确定具体的管壁厚度。并且，我国大部分地区的钢波纹管其管径均为2.5m，此类涵洞当填土量低于5m时可以选取3mm管壁，当填土量大于8m的时候，可以选取6mm管壁。
3钢波纹管桥涵设计
3.1钢波纹管涵洞的截面形式
因钢构件便于制作，钢波纹管涵洞在适用于不同的地形地貌，满足不同的使用功能时断面形式也非常丰富。公路钢波纹管涵洞一般分为闭口截面和开口截面。闭口截面一般选用0.5m、0.75m、1.0m、1.25m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、4.0m、5.0m、6.0m、7.0m、8.0m的标准孔径。开口截面可根据实际需要选择跨径。闭口截面形式主要包括：圆形、竖向椭圆形、梨形、管拱形、横向椭圆形等，且可根据实际地形、地貌及使用功能，灵活调整管线走向及进出口数量。开口截面形式主要包括：拱形、低弧拱、高弧拱、梨形拱。闭口截面钢波纹管从构造上分为整体式波纹管和拼装式波纹管。整体式波纹管是用螺旋波纹钢管或环形波纹钢管拼装而成的管形结构物。拼装式波纹管是用波纹钢板件拼装而成的管形结构物。目前直径2.0m及以下的一般采用整体式波纹管，直径2.0m以上的一般采用拼装式波纹管，2.5m采用4片拼装，3.0m采用5片拼装，4.0m采用6片拼装等。
3.2有限元模型建立
（1）计算假定和建模实现
主要利用有限元程序ABAQUS对波纹钢管涵洞的受力变形情况进行数值模拟仿真分析，具体仿真过程和结果如下。
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①计算区域：模型上下左右边界到波纹钢管的中心距离约是管道直径的5倍；沿着管壁的水平方向，截取一段波纹管作为模型构建的主要对象，且波纹管的长度仅为一个波长单位；②边界条件：若模型水平风向的位移距离为零，可通过增加滚动支座的方式，对模型X方向的位移情况等进行约束、控制；若模型下部边界的竖直方向位移距离为零，可通过增加滚动支座的方式，对模型Y方向的位移情况等进行约束和控制；若模型前后部的水平竖直方向位移距离为零，可通过该增加滚动支座的方式，对模型Z方向的位移情况等进行约束和限制。③均质材料：研究中为了减少材料对设计结果的影响，将模型建立过程中所使用的波纹钢管、填土等材料，假设为性质相同、方向不同的材料；④接触关系：从波纹钢管与土体的相对滑移、模型数值的计算效率及计算收敛性等角度考虑，为了避免波纹钢管与其周围土体之间出现脱空等问题，在研究这二者相互作用的过程中，决定采用Tie进行约束模拟。同时，采用四节点通用壳单元S4、八节点六面体实体单元C3D8I分别对波纹钢管的变形情况、土体单元进行模拟。
（2）本构关系和参数选取
从土体主要的力学特性这一方面进行考虑，数值模拟研究中所采用的材料单元模型包括线性弹性、Mohr－Coulomb弹塑性，这两种模型方式在试验操作便捷性、物理意义的明确等方面均具有十分重要的意义。
4公路钢波纹管涵洞的施工
4.1钢波纹管涵洞施工工艺
在具体施工方法的选取上，常见的方法划分成两个大的类别，第一类是钢直接填筑施工模式，第二类是反开槽回填施工模式。而因为反开槽回填施工模式是在路基阶段之后才进行施工，因此对公路的施工进度影响很小，所以是一种更为常见的施工模式。综合来看，这两类施工模式存在一定的区别，但是在工艺的选择上十分类似。在准备施工时，应做好如下的准备工作。首先在具体施工之前，应该专门安排指挥员，对施工过程中涉及到的吊装以及其他的现场操作进行协调指挥；并且配备两名人员管理具体的放线技术流程、钢波纹管的安置等；在施工前还应提前准备好适合的器械工具和车辆等，包括挖掘机、压路机等；施工相关的其他材料也应该准备好，例如回填材料、石棉等；为了保证施工质量，应该配置足够的质量巡检人员以及质量检测仪器；施工人员进场之前，还应有专门的人员对钢波纹管的各类配件进行测试检查，包括具体的直径、尺寸、相关参数等，如果当地的土质腐蚀性较强，应在钢波纹管涂敷必要的防腐材料。
4.2钢波纹管涵洞施工控制
在具体施工的过程中，有一些技术要点需要严格遵守：首先应该选取合适的施工时间，避免在冬季低于零度的时段进行施工，以确保工程的质量；如果处于寒冷地区，则应注重控制基础换填材料，应关注粉黏粒含量，从而有效避免冻胀现象而带来的质量下降；在填土过程中，无论是基础还是涵管的外侧，所有的填料应该以分层的方式进行添加和碾压，使其具有足够的压实度，避免应力集中的现象发生，使钢波纹管保持不变形；为了避免钢波纹管出现滚动，应在填土操作之后，通过划出凹槽等方法，使管道固定下来；在管道拼接的过程中，应尽力避免产生纵波，并且采取合理的防腐方法，延长涵洞的寿命。
4.3钢波纹管涵洞施工要求
在施工时间方面，对于钢波纹管的施工推荐安排在较温暖的时段，日平均温度应该在0℃以上，如果是北方地区，最佳的施工时间应该在5月到10月；而对于十分寒冷的省份，建议选取6月到9月，避免在冰冻的季节进行施工。在材料的防腐蚀方面，因为钢波纹管属于金属材质，所以必须在管道连接处以及使用的固定螺栓等处进行防腐涂料的涂敷，如果在施工中发现防腐材料的脱落剥蚀等情况，应该及时补救，以免由于腐蚀而影响钢波纹管的寿命。在管周材料的选择上也应注意，由于钢波纹管属于金属材质，因此具有一定的强度和韧性，能够适应周边的形变，所以对基础材料具有很好的适应性，不必使用水泥材质的基础，只需要以砂砾材料进行填充。而在我国的一些软土区域，例如江浙地区以及一些冻土区域，不少工程实践同样能够证实沙砾基础的性能与水泥材质的基础性能是十分相近的。选取天然砂砾就能够满足施工要求，但建议沙砾平均直径应在50mm以下，从而符合施工的强度要求。还有不少工程现场的地质情况为膨胀土以及湿陷土，这就要求施工时必须进行隔水。
结束语：钢波纹管在公路涵洞中的应用，不但能够缩短工期，提高施工进度，还能够增加国内钢销量，增加波纹管产业的兴起。在钢波纹管施工中，必须结合实际情况，加强钢波纹管施工工艺研究，确保其施工效果。
参考文献
[1]穆安志.浅谈钢波纹管涵在公路工程中的研究进展及应用[J].西南公路，2016（02）：206-210.
[2]要兴雷.公路钢波纹管涵洞的设计[J].北方交通，2016（04）：32-35+39.
[3]冯忠居，乌延玲，贾彦武，熊山铭，王彦志.钢波纹管涵洞受力与变形特性模拟试验研究[J].岩土工程学报，2013，35（01）：187-192.
[4]乌延玲.公路钢波纹管涵洞受力与变形特性及应用研究[D].长安大学，2012.
[5]明艳.公路钢波纹管涵洞设计内容[J].黑龙江交通科技，2011，34（01）：101-102.
论文作者:岳峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/28
标签：波纹管论文; 涵洞论文; 波纹论文; 管壁论文; 截面论文; 模型论文; 公路论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;