鋼波紋管涵洞管頂填土高度對預(yù)拱度設(shè)置的影響

錢 坤,劉百來,2,顧致平,段現(xiàn)彪,周向東

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710021;2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院,西安 710075;3.云南第二公路橋梁工程有限公司,昆明 650205；4.中交第四公路工程局有限公司,北京100024)

鋼波紋管涵洞管頂填土高度對預(yù)拱度設(shè)置的影響

錢 坤1,劉百來1,2,顧致平1,段現(xiàn)彪3,周向東4

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,西安 710021;2.中交第一公路勘察設(shè)計研究院,西安 710075;3.云南第二公路橋梁工程有限公司,昆明 650205；4.中交第四公路工程局有限公司,北京100024)

旨在研究實際工程中預(yù)拱度設(shè)置過大或過小對管涵受力和變形的不利影響.通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)有限元數(shù)值模擬，研究了鋼波紋管涵洞預(yù)拱度設(shè)置.采用有限元模型分析了管頂填土高度對預(yù)拱度設(shè)置的影響.結(jié)果表明：設(shè)置鋼波紋管預(yù)拱度時,涵洞管頂填土高度為預(yù)拱度主要影響因素；預(yù)拱度的設(shè)置值隨管頂填土高度的增加而增大.不同管徑管涵的預(yù)拱度的變化的規(guī)律較為接近,管徑對預(yù)拱度設(shè)置的影響較??；不同波形的管涵的預(yù)拱變化基本一致,波形對預(yù)拱度設(shè)置為非主要影響因素.

鋼波紋管；管頂填土高度；預(yù)拱度；涵洞

鋼波紋管涵洞是采用波紋狀鋼整管或波紋狀鋼片通過連接、拼裝而成.鋼波紋管涵洞因軸向波紋的存在使其具有優(yōu)良的受力特征.管涵在正常使用中將在受力和基礎(chǔ)沉降的作用下發(fā)生變形,若預(yù)拱度設(shè)置過大,管體呈上拱曲線,將不能充分發(fā)揮鋼材的抗拉、抗壓及抗剪的力學(xué)性能,對改善管體的整體位移情況和變形恢復(fù)性能不利,從而影響鋼波紋管涵洞正常使用；預(yù)拱度設(shè)置不足,導(dǎo)致涵洞過水不暢,管中存在大量積水,使得波紋管鋼材和涵洞基礎(chǔ)長期浸泡于水中,對涵管的防腐及基礎(chǔ)的受力極為不利,影響涵洞的使用壽命.預(yù)拱度設(shè)置不足或預(yù)拱度設(shè)置過大均對鋼波紋管涵的變形產(chǎn)生影響,故需找出合理的預(yù)拱度設(shè)置值,以指導(dǎo)實際工程.文獻(xiàn)[1-4]的研究主要集中在凍土地區(qū)凍融循環(huán),其對涵洞的應(yīng)力應(yīng)變影響及鋼波紋管涵的受力變形研究上,國內(nèi)外對波紋管涵洞預(yù)拱度設(shè)置的研究較少.文獻(xiàn)[5-6]對有限元模型的建立均是局部模型,其模型只涉及部分?jǐn)嗝婊虿糠植ㄩL,而研究波紋管涵的預(yù)拱度設(shè)置需建立足尺涵洞模型.在足尺建模中,劃分的結(jié)點數(shù)和單元個數(shù)過多時,超出一般計算機的運算能力.以當(dāng)前計算機的運算能力,建立軸向長度過大的鋼波紋管涵洞模型將難以計算,故需將波紋管涵模型等效為鋼圓管涵模型用以模擬分析.

本文以江西省萬宜高速公路的波紋管涵洞為研究對象,抽取5個涵洞現(xiàn)場實測用以數(shù)值分析.通過室內(nèi)有限元模擬分析不同工況下的鋼波紋管涵洞,找出鋼波紋管涵洞的預(yù)拱度設(shè)置規(guī)律并給出相應(yīng)回歸公式,以供實際工程設(shè)計及施工參考.

1 涵洞模型分析

1.1 單元類型及材料

鋼圓管選用Shell63單元,土體和回填基礎(chǔ)選用Solid45單元,過渡層選用Solid95單元.模型所涉及的材料屬性參數(shù)見表1.

1.2 涵洞模型土體尺寸

1)X方向尺寸

模型中將X方向定義為道路前進(jìn)的方向.根據(jù)《公路涵洞設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D65-04—2007)[7],大型載重汽車的前軸與后軸的距離在12.8 m,考慮到諸多因素將X方向土體寬度的尺寸取為30 m.

2)Z方向尺寸

模型中Z方向為涵洞軸線方向.其對應(yīng)土體尺寸應(yīng)按不同管頂填土高度下坡度的劃分所確定的長度來取值.依照《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[8]和《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2004)[9]的規(guī)定,經(jīng)計算可得其取值分別為41.0,86.5,130.0,178.0,237.0 m.

3)Y方向尺寸

模型中Y方向土體尺寸分為管頂、官底和管側(cè)土體尺寸.經(jīng)數(shù)值模擬分析研究表明,管底土體尺寸為6倍的管頂填土高度時,即可達(dá)到精確度的要求.

管頂填土高度選取了特定的高度,其值的確定是根據(jù)邊坡的劃分方法中所確定的土體高度的上限值.邊坡坡率的劃分方法見表2.

表1 材料屬性參數(shù) Tab.1 Attribute parameters of materials

表2 邊坡坡率Tab.2 Slope rate

1.3 荷載和邊界條件

經(jīng)計算,管頂填土高度在8 m及以上時,路面車輛荷載對涵洞的受力變形影響很小.故荷載只考慮結(jié)構(gòu)自重即可.

邊界條件需要根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定.由于波紋管涵洞一般采用反開槽回填施工,經(jīng)多次室內(nèi)模擬計算,對比模擬計算值和實測值,確定模型外表面的邊界條件：土體底部施加約束ALL DOF,垂直于道路前進(jìn)方向的土體立面施加約束UX,其余表面自由.

1.4 有限元建模

建立長度、半徑及材料相等的波紋管及鋼圓管,在相同荷載和約束的情況下,計算并分析兩模型軸向中點的位移情況,以位移相等為目標(biāo)來確定鋼圓管所用壁厚.

以150 mm×50 mm×28 mm的波形,7 mm的壁厚建立管長21 m的波紋管及管長21 m的鋼圓管模型.沿涵管頂軸向的中點施加方向豎直向下，大小100 kN的集中力F和沿管涵頂軸向施加方向豎直向下的均布荷載q,并在涵管的一端施加X,Y,Z方向的位移約束,另一端施加X,Y方向的位移約束,其正方向為管軸線方向,如圖1所示.計算其涵管中點的位移值.計算此模型,以取其軸向中點的位移值與波紋管涵軸向中點的位移值接近為原則,確定一個合理的鋼圓管壁厚.

圖1 模型受力圖Fig.1 The force condition of model

通過數(shù)值模擬計算并比較,使鋼圓管涵及鋼波紋管涵沿涵管頂軸線方向中點的位移基本一致,誤差控制在±5%.將壁厚為7 mm，波形為150 mm×50 mm×28 mm及200 mm×53 mm×55 mm鋼波紋管涵等效為壁厚為6.218 mm及 6.582 mm的鋼圓管涵用于建模分析.

2 計算工況及相關(guān)數(shù)據(jù)

2.1 計算工況

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30—2004)[9]中對邊坡坡率的規(guī)定,分別取管頂填土高度為8,20,30,40,50 m建模.將模型分為A，B，C和D四組,每組模型中各包含5個工況.所有計算工況匯總見表3,A1～A5為A組模型工況編號；B1～B5為B組模型工況編號；C1～C5為C組模型工況編號；D1～D5為D組模型工況編號.

表3 計算工況匯總表Tab.3 The calculation condition

2.2 計算結(jié)果分析

涵洞模型采用的參數(shù)具體如下：管徑為5 m,波形為150 mm×50 mm×28 mm,壁厚為7 mm,填土高度為40 m,涵管長178.5 m,4車道.土體X方向?qū)挾葹?0 m,Y方向高度為282.5 m,Z方向長度為178.5 m.

涵洞及土體模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示.涵洞及土體的豎向位移云圖如圖3所示,涵管的豎向位移云圖如圖4所示.

圖2 涵洞及土體的網(wǎng)格劃分圖Fig.2 The element mesh model of culvert and soil

圖3 涵洞及土體的豎向位移云圖(mm)Fig.3 The vertical displacement of culvert and soil(mm)

沿著涵管軸線方向每隔5 m取一個橫截面,提取涵洞的豎向位移,其相對于兩端涵頂?shù)呢Q向位移如圖5所示.

由圖5可得,在涵洞兩端,涵頂和涵底相對沉降量相同；在涵洞中間部位,涵頂相對沉降量略大于涵底相對沉降量；涵頂?shù)淖畲笙鄬Τ两盗柯源笥诤椎淖畲笙鄬Τ两盗?

圖4 涵管的豎向位移云圖(mm)Fig.4 The vertical displacement of culvert pipe(mm)

圖5 管頂填土高度為40 m的鋼波紋管涵相對豎向位移沿軸向的變化圖Fig.5 Relative vertical displacement along the axial of steel corrugated pipe culvert with pipe-jacking soil-filled height of 40 m

從計算結(jié)果中提取涵底的相對豎向位移,涵底相對豎向位移沿管軸線方向的變化如圖6所示.

圖6 管頂填土高度為40 m時鋼波紋管涵洞涵底相對豎向位移沿軸向的變化圖Fig.6 Relative vertical displacement along the axial of steel corrugated pipe culvert bottom with pipe-jacking soil-filled height of 40 m

由圖6可得,管涵中點與管涵端點的相對沉降為2.507 m；預(yù)拱度設(shè)置為1.40%.A組涵洞相對豎向位移量見表4,A組模型鋼波紋管涵預(yù)拱度與管頂填土高度的關(guān)系如圖7所示.

表4 涵洞相對豎向位移量Tab.4 The vertical displacement of culvert pipe

(注：相對豎向位移是管涵中點與管涵兩端管頂?shù)呢Q向位移差值.)

圖7 A組模型鋼波紋管涵預(yù)拱度與管頂填土高度的關(guān)系Fig.7 Relationship between soil-filled height and culvert pipe’s precamber for group A of steel corrugated pipe culvert

分析圖7可得,預(yù)拱度呈現(xiàn)出隨著管頂填土高度增加而增大的趨勢.

由A,B,C,D四組模型計算結(jié)果可得預(yù)拱度設(shè)置規(guī)律見表5.

表5 預(yù)拱度設(shè)置Tab.5 Precamber setting

對表5數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,可得管頂填土高度與鋼波紋管涵洞預(yù)拱度設(shè)置回歸公式為

Q=0.039 8H-0.105 2,(R2=99.94%)

(1)

式中：Q為預(yù)拱度(%)；H為管頂填土高度(m)；R2為擬合度(%).

3 結(jié) 論

通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)有限元數(shù)值模擬,對鋼波紋管預(yù)拱度設(shè)置進(jìn)行分析,得到雙向四車道高速公路在不同管頂填土高度下預(yù)拱度的設(shè)置規(guī)律為

1) 預(yù)拱度隨填土高度的增加呈上升趨勢；不同管徑管涵的預(yù)拱度的變化的規(guī)律接近,管徑對預(yù)拱度設(shè)置的影響較填土高度小；不同波形的管涵的預(yù)拱變化基本一致,波形為預(yù)拱度設(shè)置的非主要影響因素.

2) 數(shù)值分析結(jié)果表明,管頂填土高度為5m時,預(yù)拱度為0.094%.填土高度為5m以下時,不予設(shè)置鋼波紋管涵洞預(yù)拱度；管頂填土高度為5m以上時,鋼波紋管涵洞的預(yù)拱度設(shè)置按回歸公式計算取值.

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CCCCSecondHighwayConsultantsCo.,Ltd.SpecificationsforDesignofHighwaySubgrades:JTGD30—2004[S].Beijing:ChinaCommunicationPress,2004.(inChinese)

(責(zé)任編輯、校對 潘秋岑)

Effect of Pipe-Jacking Soil-Filled Height of Steel Corrugated Pipe Culvert on Precamber Settings

QIANKun1,LIUBailai1,2,GUZhiping1,DUANXianbiao3,ZHOUXiangdong4

(1.School of Civil Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China; 2.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Xi’an 710075,China; 3.The Second Highway Bridge Engineering Co.,Ltd.,Kunming 650205,China; 4.CCCC Fourth Highway Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100024,China)

The adverse effect on the pipe culvert stress and deformation is investigated while precamber setting is too big or too small in the practical engineering.Through field testing and finite element numerical simulation,the corrugated steel culvert precamber settings are studied.The effect of precamber settings of the pipe-jacking soil-filled height is analyzed using finite element model.Results show:The pip-ejacking soil-filled height is main influence factors of precamber setting; The precamber settings increase with the height of pipe-jacking soil-filled;For different pipe diameter, the changing of pipe culvert precamber is relatively similar,which means that the influence of pipe diameter on the precamber setting is non-significant;For different pipe shape,pipe culvert precamber changes basicly unanimously,for precamber,pipe shape is non-main influence factor.

steel corrugated pipe;pipe-jacking soil-filled height;precamber;culvert

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.12.006

2016-03-20 基金資助：青海省交通建設(shè)科技項目(2011-02)

錢 坤(1986-),男,西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生.

顧致平(1957-),男,西安工業(yè)大學(xué)教授,主要研究方向為結(jié)構(gòu)體系與優(yōu)化設(shè)計.E-mail：guzhiping2002@sohu.com.

U449.83

A

1673-9965(2016)12-0976-05