波紋鋼管廊受力變形特性研究

劉 文 平

(蘭州軍區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730020)

1 概述

隨著城市的快速發(fā)展，以傳統(tǒng)直埋方式敷設(shè)的地下管線(xiàn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化城市快速發(fā)展的需求，綜合管廊的建設(shè)成為城市發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳統(tǒng)的地下管廊多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但存在眾多的缺陷，如：多管節(jié)組合體現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制及運(yùn)輸不便，管節(jié)間不存在強(qiáng)度聯(lián)結(jié)，易受基礎(chǔ)沉降影響而破壞等；現(xiàn)澆管廊施工作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，抗地基不均勻沉降能力差，對(duì)周?chē)h(huán)境影響也比較大。采用波紋鋼管廊可以很好地解決這些問(wèn)題。波紋鋼管具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，造價(jià)低，抗彎慣性矩大和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，可解決地基變形、地基不均勻沉降等不良工程地質(zhì)問(wèn)題，廣泛應(yīng)用于高填方排水涵洞/立交通道、管線(xiàn)穿越等工程。

目前對(duì)于波紋鋼管的研究已有不少研究成果。顧安全等[1，2]分析了管道開(kāi)裂的規(guī)律，并就是否采取減載措施兩種情況，分別提出了土壓力的計(jì)算公式；馮麗[3]、翁效林等[4]考慮填土與管涵之間的耦合作用，對(duì)地下管涵的力學(xué)性能進(jìn)行了分析；粟繽[5]研究了波紋管跨度與管頂變形、應(yīng)力的關(guān)系；駱志紅[6]通過(guò)對(duì)3種不同直徑及不同壁厚的鋼波紋管涵對(duì)應(yīng)不同的填土高度進(jìn)行有限元計(jì)算，分析了鋼波紋管涵及周邊土體的等效應(yīng)力分布規(guī)律；錢(qián)海濤[7]分析了公路鋼波紋管涵洞在土體荷載和車(chē)輛荷載作用下的可能的變形與破壞情況，對(duì)不同尺寸、波形和壁厚的波紋圓管涵變形及路基沉降進(jìn)行了研究；烏延玲等[8,9]進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，對(duì)波紋鋼管涵的受力變形進(jìn)行了研究，提出了波紋鋼管涵的受力、變形計(jì)算公式。以上研究，僅限于直徑較小的管廊，但是對(duì)于大直徑波紋鋼管廊，未能系統(tǒng)地考慮填土—波紋鋼—荷載的耦合作用下的受力變形特性。本文利用有限差分軟件Flac3D對(duì)填土完成后波紋鋼管廊的受力與變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)波峰、波谷處的受力變形開(kāi)展研究，揭示波紋鋼管廊受力變形特性。

2 工程概況及有限元模型

地下管廊為雙線(xiàn)波紋鋼管通道結(jié)構(gòu)，兩管廊中心間距7 m，管廊直徑4 m，管頂上覆填土厚度7 m。波紋鋼管廊外設(shè)防水及鍍鋅層，底部為回填密實(shí)土層。開(kāi)挖后分層回填密實(shí)，壓實(shí)度95%。夯實(shí)后每層厚100 mm～200 mm，回填土為中粗砂、碎石屑及最大粒徑小于40 mm的級(jí)配礪砂。

設(shè)水平方向?yàn)閤方向，波紋鋼管廊軸線(xiàn)方向?yàn)閥方向，豎直方向?yàn)閦方向，豎直向上為正。波紋鋼管廊及回填土均采用彈塑性模型，對(duì)波紋鋼管廊采用Von Mises準(zhǔn)則，對(duì)回填土及地基土選用理想彈塑性Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析。填土為粉質(zhì)黏土，物理力學(xué)參數(shù)為重度17.8 N/m3,彈性模量15.2 MPa,泊松比0.3，粘聚力15 kPa，內(nèi)摩擦角23.4°。波紋鋼管廊的強(qiáng)度參數(shù)為抗拉強(qiáng)度4 MPa，彈性模量200 GPa，法向耦合剛度800 MN/m3，剪切耦合剛度800 MN/m3，泊松比0.25，內(nèi)聚力4 kPa，殘余內(nèi)聚力2 kPa，內(nèi)摩擦角20°。波紋管波長(zhǎng)40 mm，波高30 mm。波紋鋼管廊作為襯砌結(jié)構(gòu)，壁厚10 mm，直徑4 m，位于模型中央，圓心距模型四邊均為11 m，即波紋管上方填土為9 m厚，管長(zhǎng)(y方向延伸)為4 m，未開(kāi)挖前的模型示意圖見(jiàn)圖1。模擬過(guò)程分為兩步：第一步是求得模型的初始地應(yīng)力場(chǎng)，計(jì)算至平衡；第二步是開(kāi)挖和襯砌，在開(kāi)挖后不進(jìn)行平衡，而在襯砌施加以后計(jì)算至最終平衡。

3 計(jì)算結(jié)果分析

波紋鋼管廊施工中，管廊的變形是最受關(guān)注的控制指標(biāo)之一，故分別選取管廊的總應(yīng)變和斷面處波峰、波谷應(yīng)變來(lái)進(jìn)行管廊的變形分析。從圖2可見(jiàn)：相較于波谷，波紋管波峰處產(chǎn)生的應(yīng)變較大，應(yīng)變?cè)隽糠逯颠_(dá)到了6.96×10-3。對(duì)比波峰、波谷處的總應(yīng)變?cè)隽繑?shù)據(jù)，可見(jiàn)：波峰是波谷處應(yīng)變?cè)隽康?倍～4倍，且沿著波紋鋼管廊軸線(xiàn)方向，交替規(guī)律分布。從圖3可見(jiàn)：波峰、波谷處總應(yīng)變?cè)隽康淖畲笾稻诠芾鹊膬杉?，拱腳應(yīng)變?cè)隽恐底钚?，波峰和波谷總?yīng)變的分布規(guī)律相同，且與波紋鋼管廊整體應(yīng)變規(guī)律一致，波峰的總應(yīng)變量值大于波谷。

從圖4可以看出：波紋管兩側(cè)在周?chē)钔梁奢d作用下，產(chǎn)生了徑向收縮，單側(cè)波峰、波谷處位移量相等，可見(jiàn)分布規(guī)律與波紋無(wú)關(guān)。從圖5中可見(jiàn)：由于管道開(kāi)挖引起土體回彈，造成波紋管底部的位移是向上的。同時(shí)，由于波紋管的剛度較大和側(cè)向土體的擠壓，造成波紋管頂部的位移也是向上的，但數(shù)值較?。徊y管的z方向位移分布與波紋也無(wú)明顯關(guān)系。

從圖6,圖7中可見(jiàn)：土體對(duì)波紋管的法向作用力是比較均勻的。切向力在波紋管頂部和底部較大，兩側(cè)較小，頂部切向力峰值約是兩側(cè)的1倍～2倍；頂部和底部波紋管波谷處受剪較弱，波峰處受剪較強(qiáng)，兩側(cè)規(guī)律與之相反。

從圖8可以看出：在頂部和底部，波紋管波峰處在x方向上受拉，拉壓應(yīng)力峰值絕對(duì)值相同；左右兩側(cè)在波峰處x方向主要受壓，小部分受拉。這是因?yàn)樽笥覂蓚?cè)中間位置的x方向壓力最大，使波峰處受壓明顯，帶動(dòng)相應(yīng)的頂部和底部波峰處成為受拉區(qū)。從圖9可見(jiàn)：波紋管頂部和底部沿y軸方向，基本以受拉為主；左右兩側(cè)波谷處受拉，波峰處受壓，且拉壓應(yīng)力峰值水平相同，沿波紋鋼管廊軸線(xiàn)均勻分布。

從圖10中可以看出：結(jié)構(gòu)單元不論是正彎矩還是負(fù)彎矩，都出現(xiàn)在波紋管的兩側(cè)。且波峰處出現(xiàn)正彎矩，波谷的頂部為較小的正彎矩，中部出現(xiàn)負(fù)彎矩，波峰、波谷處彎矩絕對(duì)值相差不大，而且數(shù)值也較小。從圖11可見(jiàn)：波紋鋼管廊在x軸上產(chǎn)生的彎矩與結(jié)構(gòu)單元最大彎矩具有相同的分布規(guī)律，該彎矩主要是由兩側(cè)土體的水平向壓力產(chǎn)生的。

4 結(jié)論

1)在波紋鋼管廊與周?chē)钔恋南嗷プ饔孟?，波紋鋼管廊的波峰、波谷處均產(chǎn)生了較大應(yīng)變，波峰和波谷處總應(yīng)變的分布規(guī)律相同，但波峰處的應(yīng)變?cè)隽扛用黠@，在施工中，應(yīng)把波峰處的應(yīng)變量作為控制指標(biāo)。2)波紋鋼管廊在土壓力作用下，產(chǎn)生了徑向收縮和向上的豎向位移，豎向位移約為徑向的2倍，且數(shù)值都較小，與波紋分布無(wú)關(guān)。3)鋼波紋管在填土荷載作用下，波紋鋼管的結(jié)構(gòu)性得到充分發(fā)揮，波峰、波谷受力協(xié)調(diào)，使得波紋鋼管廊整體受力較為均勻，共同承擔(dān)填土荷載作用。