波紋鋼管涵接頭受力和防水性能分析

張金鎖， 劉 洋， 車青森， 董鵬國

（北京市市政二建設(shè)工程有限責(zé)任公司，北京 100141）

傳統(tǒng)公路管涵多為混凝土材料，存在造價高、剛度大、工期長、污染環(huán)境、運輸不便、耐久性及抗變形能力差等問題；而波紋鋼具有綜合造價低、變形能力強、對基礎(chǔ)要求低、運輸方便、施工周期短安裝方便、工廠化預(yù)制、施工速度快、環(huán)保等明顯優(yōu)勢，因此波紋鋼管涵可作為傳統(tǒng)混凝土管涵的替代結(jié)構(gòu)[1～2]。

國外波紋鋼研究應(yīng)用相對較早；近年來，我國也開始使用波紋鋼管涵代替混凝土管涵，一些研究人員開始對波紋鋼管涵的力學(xué)性能和變形特性進行研究。尤佺等[3]提出了一種鋼波紋管受力分析方法，很好的表述了鋼波紋管的力學(xué)性能；宋遠等[4]對不同形式的拼裝波紋鋼板縱向接頭抗彎力學(xué)性能進行了研究；尹凌峰等[5]通過對螺栓搭接方式試件的靜力拉伸試驗，研究了波紋板螺栓連接收剪切破壞和力學(xué)性能。

對于波紋鋼管涵來說，受力最薄弱的是接頭部位，本文對接頭部位的力學(xué)性能和變形特性進行研究并對接頭部位進行加強設(shè)計，以保障安全性。

1 接頭受力分析

對波紋鋼管涵凹凸法蘭接頭與常用的平法蘭接頭和搭接接頭進行力學(xué)性能分析。

1.1 模型建立

采用有限元軟件ABAQUS 進行數(shù)值模擬并做出一些合理的簡化，慮到計算機的計算能力，將模型中的網(wǎng)格進行了不均勻劃分，管涵及其附近土體進行細密劃分；在波紋鋼接頭兩側(cè)的加載板上施加均布荷載。見圖1。

圖1 波紋鋼管接頭加載模型

1）計算區(qū)域：模型左右邊界到波紋鋼管接頭距離均為80 cm；考慮到波紋對于波紋鋼管受力變形特性的影響，為真實模擬這一結(jié)構(gòu)，沿線路縱斷面方向截取5個波長的波紋管及管周土體。

2）邊界條件：模型左右兩側(cè)邊界施加限制其x 方向即水平方向的鉸支座；模型下部邊界施加完全固定的支座；模型上部邊界為自由面，不施加約束。

3）均質(zhì)材料：假定計算區(qū)域內(nèi)的波紋鋼管、填土、墊層和地基土等模型材料均為各向同性材料。

4）接觸關(guān)系：采用Tie 綁定約束來模擬波紋鋼管與管周土體之間的相互作用，保證波紋鋼管涵與土體變形的連續(xù)性，采用八節(jié)點六面體實體單元C3D8I 模擬波紋鋼管和土體。

1.2 接頭受力分析

3種接頭抵抗變形能力：搭接＞平法蘭＞凹凸法蘭，但3種接頭的承載能力均能滿足工程要求［6］，故在施工條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮使用搭接接頭。見圖2。

圖2 3種接頭部位最大豎向變形

1.3 搭接接頭受力測試

為了研究搭接接頭變形特性，進行接頭部位等比例加載試驗。采用波形為300 mm×110 mm、板厚為5 mm的波紋鋼，鋼材為Q345。見圖3。

圖3 試驗測點布置

將構(gòu)件按照純彎試驗加載，直至破壞。荷載-應(yīng)力曲線與荷載-位移曲線的極限荷載相匹配，驗證了數(shù)據(jù)的正確性。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果雖稍有偏差，但總體上契合，驗證了數(shù)值模擬模型的正確性。見圖4和圖5。

圖4 荷載-應(yīng)力曲線

圖5 荷載-位移曲線

2 波紋鋼接頭防水性能分析

2.1 防水測試

分別對不同預(yù)緊力和不同防水材料進行測試。見表1。

表1 波紋鋼管涵防水試驗

試件一為兩環(huán)對接波紋鋼管涵，試件二為搭接波紋鋼管涵，見表2。

表2 試件對比

在試件上加裝閥門、水壓計和水泵。打開出氣口和進水口的閥門，用水泵對管涵內(nèi)注水，待有水從出氣口流出時，關(guān)閉出氣口閥門，對密封系統(tǒng)施加水壓。見圖6。

圖6 試件模型

水壓按照0.1 MPa 級別增壓，每一級水壓穩(wěn)壓10 min，若流量計突然升高、水壓計不再上升或有水滲出則記錄對應(yīng)的水壓，取其上一級水壓作為其最大耐水壓力；若0.5 MPa 水壓仍未突破防水材料，則繼續(xù)加壓，水壓按照0.05 MPa 級別增壓，每級穩(wěn)壓5 min，直至水壓突破防水材料或者水壓達到2.0 MPa。

試件一共布置5個應(yīng)變片，見圖7。

圖7 試件一測點布置

試件二因是圓形，受水壓的均勻作用，故可在任意一點布置應(yīng)變片。本試驗選擇管涵的跨中斷面即距離接頭部位0.5 m處，在波峰和波谷各布置2個應(yīng)變片，一個環(huán)向方向一個縱向方向。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 搭接接頭

試件二用水泵灌滿水后，在未加壓的情況下，搭接接縫處開始滲水。為進一步研究極限水壓，使用氣泵進行加壓，壓力達到0.3 MPa 的時候，開始大面積漏水。

因波紋鋼管涵沿接縫處直徑截面為軸對稱結(jié)構(gòu)，故可僅研究管涵1/2截面的應(yīng)力分布并設(shè)定試件二的側(cè)向接縫位置為0°。在水壓的作用下，波紋鋼管涵的環(huán)向應(yīng)力從接縫處開始，沿順時針方向呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。見圖8。

圖8 試件二應(yīng)力環(huán)向分布

2.2.2 對接接頭

1）普通遇水膨脹橡膠墊。試件一的螺栓預(yù)緊扭矩為175、225、275 N·m 時，極限水壓分別為0.3、0.5、0.65 MPa。見圖9。

圖9 普通遇水膨脹橡膠墊極限水壓與預(yù)緊力矩關(guān)系

在水壓的作用下，管涵波峰、波谷的應(yīng)力均隨著加載水壓的增大而逐漸增大；波峰的應(yīng)力為負值即為壓應(yīng)力，波谷的應(yīng)力為正值即為拉應(yīng)力；對比波谷和波峰的應(yīng)力絕對值，在同一加載水壓下，波谷應(yīng)力絕對值大于波峰應(yīng)力絕對值。見圖10。

圖10 管涵應(yīng)力

2）三元乙丙基遇水膨脹橡膠墊。試件一的螺栓初始預(yù)緊扭矩為175 N·m，在灌滿水未加壓的情況下未發(fā)現(xiàn)漏水；加壓到0.35 MPa 時，開始輕微滲水，但持續(xù)幾分鐘后滲水停止；繼續(xù)加壓到0.55 MPa，螺栓處開始滲水。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因時，初始三元乙丙基橡膠墊未遇水膨脹的極限水壓為0.3 MPa，在橡膠墊遇水膨脹后，封閉了原有的滲水路徑，直到0.55 MPa才開始繼續(xù)滲水，故極限水壓為0.5 MPa。

試件一的螺栓預(yù)緊扭矩為225、275 N·m 時，極限水壓分別為0.75、0.9 MPa。見圖11。

圖11 三元乙丙基橡膠墊極限水壓與預(yù)緊力矩關(guān)系

3 結(jié)論

1）3 種接頭抵抗變形能力：搭接＞平法蘭＞凹凸法蘭，但3 種接頭的承載能力均能滿足工程需求。在施工條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮使用搭接接頭。

2）搭接接頭的極限水壓為0.3 MPa，水壓越大滲水面積越大。

3）對接接頭采用天然遇水膨脹橡膠墊和三元乙丙遇水膨脹橡膠墊防水，在螺栓預(yù)緊力達到275 N·m時，對接接頭的極限水壓分別達到了0.65、0.90 MPa。極限水壓與螺栓預(yù)緊力呈正比。

4）在工程應(yīng)用中，平法蘭接頭、凹凸法蘭接頭和搭接接頭的力學(xué)性能均能滿足工程需求。在考慮施工便利性和防水要求的情況下，搭接接頭適用于無水直埋式管涵；對接平法蘭接頭適用于無較大水壓的暗挖管涵；對接凹凸法蘭接頭則適用于承受高水壓的管涵。