鋼波紋管涵洞變形處治方案

王艷波

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

作為一種較為新穎的結構型式，鋼波紋管涵在我國最早應用于1997年青藏公路的搶修工程中，由于其具有施工周期短、重量輕、耐久性好、造價低等優(yōu)點，正越來越被行業(yè)所認可，并且相關的設計和施工規(guī)范也正在積極的制定當中[1]。與其他結構型式不同的是，鋼波紋管涵是一種柔性結構物，在涵洞頂部填土施工完成之后，其結構的變形特性明顯不同于剛性結構物。在柔性結構中，由于材料特性，使得鋼波紋管涵洞結構具有一定的適應變形的能力[2]。鋼波紋管涵管節(jié)通過高強螺栓連接，如果管節(jié)的變形過大，首先會影響到涵內(nèi)的凈空，壓縮過水或通行面積，其次過大的變形產(chǎn)生的剪力會剪斷高強螺栓，或沿著最不利的方向撕裂高強鋼板，導致結構的崩潰。

1 研究背景

某高速公路通車運營后，發(fā)現(xiàn)一處路面有局部輕微沉陷現(xiàn)象，且偶見裂縫。經(jīng)詳細排查，發(fā)現(xiàn)該處高填土鋼波紋管涵洞局部變形嚴重，經(jīng)實測，涵頂最大變形量已超過40 cm，其變形已遠遠超出自身允許變形范圍，涵頂高強螺栓連接處波紋鋼板出現(xiàn)明顯裂縫，如圖1、圖2所示。鋼波紋管涵參數(shù)：孔徑3 m；前右角130°；設計涵長162.46 m；鋼板厚度t=6.5 mm；波形200 mm×55 mm；中心填土高度約為27 m；材質(zhì)Q235。如不采取處治措施，涵洞變形進一步加大，結構將會有垮塌的危險。

經(jīng)研究，決定對鋼波紋管涵洞加固，加固方案就是在原1-3 m鋼波紋管涵洞中內(nèi)套1-2.2 m鋼波紋管涵。通過勾取匯水面積及徑流公式測算，1-2.2 m鋼波紋管涵能夠滿足設計流量要求，1-2.2 m鋼波紋管涵參數(shù)：鋼板厚度t=6.0 mm；波形150 mm×50 mm；材質(zhì)Q235。

圖1 涵頂填土情況

圖2 涵洞變形情況

2 結構強度校核

2.1 計算荷載的確立

設計荷載主要考慮管頂以上土體的靜載和行車動載的綜合作用，靜載用DL表示，動載用LL表示，總荷載用Pv表示。

a）土體靜載 DLDL= ωH=20 kN/m3×27 m=540 kN/m2；

b）行車動載LLLL=2.63 kN/m2.

對于填土高度H大于等于管直徑D的情況，總荷載對波紋鋼管的作用力有所減小，需要對總荷載進行折減，折減后的荷載可以通過總荷載乘以荷載系數(shù)K來得到。而壓實度和荷載系數(shù)之間有著緊密的聯(lián)系，當填土高度大于或等于涵管的直徑時，靜載和動載的總荷載與填土壓實度的關系可以用荷載系數(shù)K來聯(lián)系。本工程中路基采取95%的壓實度，對應的荷載系數(shù)取0.75。

則：當 H≥D 時，Pv=K（DL+LL）=0.75（540 kN/m2+2.63 kN/m2）=406.9 kN/m2.

2.2 環(huán)向壓力的計算

為避免管壁在受徑向壓力下產(chǎn)生變形，管體結構必須有足夠的強度。為防止管體產(chǎn)生屈服、彎曲或裂縫，需要根據(jù)管壁受到的徑向壓力確定出管壁的應力，并將其與容許值相比較。管壁應力的容許值一般是由室內(nèi)破壞性試驗獲得。波紋鋼管所能承受的總壓力Pv的選取要考慮波紋鋼管的抗變形能力，按實際工程的要求選擇合理壓實度，以確定波紋鋼管的環(huán)向設計壓力。

由于涵洞的受力是軸向?qū)ΨQ的，可以采用上半部來分析受力情況。管壁上的推力（稱為環(huán)向壓力）由鋼材承擔，方向與管壁相切，數(shù)值上等于管壁的徑向應力乘以管半徑。作用于管面的應力Pv和波紋鋼管環(huán)向壓力C之間的關系為：

C=Pv×D/2=406.9 kN/m2×2.2 m/2=447.6 kN/m.

2.3 極限應力的計算

對于波紋鋼管涵洞，當回填土體的壓實度達到95%時，最小屈服應力為230 MPa，極限壓應力fb與D/r有如下關系：

a）當D/r≤294時，管壁區(qū)的極限應力為：fb=230；

b）當294＜D/r≤500時，管壁區(qū)的極限應力為：fb=275-0.000 58（D/r）；

c）當500＜D/r時，管壁區(qū)的極限應力為：fb=3.4×10（D/r）.

式中D為波紋管涵的直徑；r為波紋管涵的截面回轉(zhuǎn)半徑。

結合本工程：實際管徑D=2.2 m；波形參數(shù)150 mm×50 mm；鋼板厚度為6.0 mm的波紋鋼管r=19.65 mm，即 D/r=4 000/19.65=203.56＜294，故取fb=230 MPa.

當取安全系數(shù)為2時，極限應力的計算值為：fc=fb/2=230/2 MPa=115 MPa=1 150 kg/cm2.

2.4 強度校核

根據(jù)設計要求，必須使得設計應力Pc≤fc，而環(huán)向壓力C和設計應力Pc有如下關系，即Pc=C/A=447.6/0.784 6=600 kg/cm2＜ 1 150 kg/cm2，故采用波形參數(shù)150 mm×50 mm，管徑D=2.2 m，鋼板厚度t=6.0 mm的波紋鋼管在27 m填土高度和公路-I級荷載作用下能夠滿足截面強度要求。

3 加固方案

針對本工程出現(xiàn)的問題，處治措施是通過內(nèi)套鋼波紋鋼管支撐原涵洞變形部位，兩者之間空隙澆筑膨脹水泥。

3.1 現(xiàn)場安裝時的注意事項

a）由于填土較高，產(chǎn)品及安裝輔助機器（吊車）不能下放到涵洞口外側(cè)；

b）因管體長度較長，無法一步安裝到位，需分節(jié)安裝；

c）施工危險，其組裝要在外面進行組裝。

3.2 具體實施方案

3.2.1 波紋管的拼裝

在拼裝前，先檢查每片波紋鋼板的規(guī)格和外觀質(zhì)量，不符合設計要求的不得使用，確認無誤后開始拼裝。分片拼裝波紋鋼管是通過逐片、逐段的方式完成拼裝的，先拼裝底板，以此為基準向兩端延伸，直至達到所需要的長度。周向拼接也是第一塊底板為基準從下往上順次拼裝，相鄰節(jié)段的周向搭接縫必須錯位布置，嚴禁搭接處有4層或4層以上的重疊。分片拼裝的波紋鋼管在逐片重疊搭接后，每片上可在間隔位置先預收緊5～6處螺栓螺母，以方便后續(xù)各片位置、角度的調(diào)整。待整段涵管拼接完成并調(diào)整姿態(tài)后，再均勻收緊所有的螺栓螺母。所有的螺栓拼接時扭轉(zhuǎn)力矩應達到200～400 N·m，并不超過螺栓需用力矩。每節(jié)拼裝成型后要檢查截面形狀，達不到標準應及時調(diào)整，每安裝6 m進行一次管節(jié)的圓度和直線度校正。如出現(xiàn)偏位或變形，采用千斤頂、定位拉桿或其他有效方式進行糾偏或調(diào)整。

3.2.2 波紋鋼管的拖移

將波紋鋼管的前端用液壓機承載，中后段用吊車吊起，使波紋鋼管成水平狀，隨著液壓車的緩速前行，吊車也隨之保持同速前進，將波紋鋼管緩慢送入涵洞內(nèi)。隨著波紋鋼管逐漸進入涵洞，當達到一定距離時，吊車的鋼絲繩就會變成障礙，這時為了保證波紋鋼管能夠繼續(xù)進入涵洞，需在其后端也安放一臺液壓車，兩臺液壓車保持同速前進，將波紋鋼管全部送入到涵洞內(nèi)指定位置。如果在這過程中，兩臺液壓的動力不足，就在涵洞內(nèi)安置一固定支點，采用葫蘆以人工拉拽的方式輔助波紋鋼管到達指定位置或者在涵洞外另一端用大型設備車牽引拉至指定位置。

3.2.3 混凝土澆筑

由于原涵洞內(nèi)套波紋鋼管后，兩涵之間形成的作業(yè)空間太小，若內(nèi)套波紋鋼管全部裝入后再澆筑混凝土，將導致混凝土填充極不密實。因此每安裝一段鋼管結束后，需對其四周澆筑混凝土，并且應保證在澆筑混凝土過程中波紋鋼管不發(fā)生左右位移（在澆筑混凝土過程中對內(nèi)套波紋鋼管左右兩側(cè)進行固定）。加固完成的鋼波紋涵洞如圖3所示。

圖3 加固完成的鋼波紋管涵洞

3.3 需要的器具及材料

在原涵洞出水口處澆筑4 m×4 m混凝土地坪，用于內(nèi)層加固波紋管拼裝。在波紋管開始拼裝時，圍堰封堵原涵進水口，確保原涵內(nèi)無流水，在原涵涵底澆筑混凝土以方便加固波紋管運輸進原涵洞內(nèi)。加固波紋管分2 m一節(jié)運進涵內(nèi)，節(jié)與節(jié)之間焊接連接，拼裝兩節(jié)即4 m后，支設堵頭模板并澆筑管間填充混凝土，混凝土采用膨脹混凝土，確保混凝土終凝后充滿兩管之間的間隙，依次直至加固完成。需要的材料及機具如表1、表2所示。

表1 材料表

表2 機具表

4 結語

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構相比，鋼波紋管涵洞具有明顯的經(jīng)濟效益，但其拼裝期間及施工回填之后的較大變形也是無法忽視的問題。因此，在管節(jié)拼裝時，應及時進行截面形狀檢查，如達不到標準應立刻進行調(diào)整。同時應保證，在涵洞拼接完成之后、涵洞回填未達到最小填土高度時，禁止一切重型車輛通過。