公路鋼波紋管涵洞設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：由于目前還沒有針對性的結(jié)構(gòu)計算方法來指導(dǎo)鋼波紋管涵的設(shè)計，同時由于鋼材的易腐蝕性，耐久性設(shè)計也是鋼波紋管涵的設(shè)計重點，文章結(jié)合南寧至北海公路改擴建工程應(yīng)用實例，研究了鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和耐久性設(shè)計，為公路鋼波紋管涵洞的設(shè)計應(yīng)用提供實踐參考。

關(guān)鍵詞：CHBDC法；耐久性設(shè)計；HDPE防腐；鋼波紋管涵洞

中圖分類號：U416.02

0 引言

涵洞是埋置于路基內(nèi)以迅速排除公路沿線地表水的人工構(gòu)造物，是公路排水系統(tǒng)的重要組成部分，能達到確保路基安全的目的。目前，公路建設(shè)中多采用鋼筋混凝土涵洞、圬工涵洞和磚涵，傳統(tǒng)涵洞在大多數(shù)情況下滿足了公路基本使用性能，但其結(jié)構(gòu)存在對地基條件要求高、施工周期長、結(jié)構(gòu)易開裂、涵底不均勻沉降造成路面塌陷等不足之處。

近年來，隨著新材料和新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，鋼波紋管涵洞替代傳統(tǒng)涵洞越來越多地被推廣應(yīng)用在公路建設(shè)中。鋼波紋管涵洞對地基承載力要求相對較低，且利用自身結(jié)構(gòu)的柔性解決了傳統(tǒng)涵洞剛度大、不能適應(yīng)基礎(chǔ)變形帶來的問題，高效發(fā)揮了鋼材的抗彎拉性能。鋼材的材料特性和波紋化處理能夠充分消除不均勻沉降所產(chǎn)生的橫向位移應(yīng)力，具有較強的抵抗變形和沉降的特性。對鋼波紋涵洞在回填前做好結(jié)構(gòu)表面的防腐設(shè)計，提高其抗沖刷能力和耐久性能，是其設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

為提出合適的公路鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計和耐久性設(shè)計，本文依托南寧至北海公路改擴建工程中遇到的實際問題，對現(xiàn)有鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進行對比和分析，探究鋼波紋管涵洞復(fù)合型防腐工藝，旨在為新型結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論支撐，促進相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完善形成。

1 鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

鋼波紋管涵洞采取管軸向的鋼板波紋化處理，形狀為圓弧形波紋鋼板分塊拼裝，形成圓形管狀的閉合截面。作為一種典型的空間薄殼柔性結(jié)構(gòu)，波紋管涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于“環(huán)向壓力理論”的波形鋼板構(gòu)件來進行計算的。國內(nèi)關(guān)于鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)計算方法的研究起步較晚，目前還沒有針對性的設(shè)計方法和經(jīng)驗公式，主要以有限元模型和國外設(shè)計方法進行結(jié)構(gòu)計算。

1.1 國內(nèi)外常用的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范

鋼波紋管涵洞作為一種新型的結(jié)構(gòu)類型，目前國內(nèi)尚無設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可依［1］，相應(yīng)的尺寸規(guī)格、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)僅在《公路涵洞通道用波紋鋼管（板）》（JT/T 791-2010）（以下簡稱《波紋鋼管（板）》）和《公路涵洞設(shè)計細(xì)則》（JTG/T D65 04-2007）（以下簡稱《細(xì)則》）中有所提及，但沒有針對鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)計算方法。

對于孔徑＜8 m的鋼波紋管涵洞，國外已有成熟的設(shè)計經(jīng)驗，且已編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。國外常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法包括《美國AASHTO LRFD》（簡稱AASHTO法）、《美國American Iron and Steel Institute》（簡稱AISI法）和《加拿大Canadian Highway Bridge Design Code》（簡稱CHBDC法）。

1.2 鋼波紋管涵結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對比

在實際項目中，為了充分發(fā)揮鋼波紋管涵的優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法除了參考傳統(tǒng)公路涵洞的設(shè)計方法，通常還借鑒了國外規(guī)范。為使結(jié)構(gòu)安全性能滿足要求，對上述規(guī)范中的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法中荷載計算進行了對比分析（見下頁表1）。

從上述設(shè)計方法可以看出，在CHBDC方法的恒載壓力計算公式中，使用土拱系數(shù)（見下頁圖1）這一概念，充分考慮了填土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全。而《細(xì)則》和另外兩個國外規(guī)范直接采用土體重量，根據(jù)以往工程的實測結(jié)果，γH值與實際測量數(shù)據(jù)相差較大，理論值較實際值偏大，容易造成鋼材的浪費。

在計算活載壓力時，根據(jù)項目所處位置車輛荷載情況，包括軸載、不同車型組成情況、車道橫向折減系數(shù)、車輪與地面接觸面等，選擇相應(yīng)的活載計算方法。除此之外，只有CHBDC方法考慮了地震加速度的地震荷載，其他規(guī)范均沒有考慮，在高地震烈度區(qū)，CHBDC方法更加適用。

1.3 CHBDC方法的應(yīng)用原理及其結(jié)構(gòu)計算內(nèi)容

通過上述比較，CHBDC方法在恒載計算上較其他方法更符合工程實際，活載計算和其他國內(nèi)外規(guī)范一樣都考慮了車輛荷載擴散角度值，因此本文將按照CHBDC方法進一步研究其設(shè)計原理和計算內(nèi)容。

CHBDC方法是基于極限狀態(tài)理論的一種設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，該方法將涵頂?shù)暮爿d和活載等效為鋼波紋管的推力，利用環(huán)向壓力理論對鋼波紋管涵洞進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。其結(jié)構(gòu)驗算的主要內(nèi)容包括以下幾點：

（1）最小覆土高度限值。CHBDC方法規(guī)定了最小覆蓋填土高度的值為[SX（]Dh[]6[SX）][JB（（][SX（]Dh[]Dv[SX）][JB））]0.5、0.4[JB（（][SX（]Dh[]Dv[SX）][JB））]2、0.6 m 三者的最大值，其余規(guī)范的結(jié)構(gòu)內(nèi)力只計算軸向壓力，而覆土高度限制值可確保荷載引起的彎矩被控制在安全設(shè)計范圍，避免了波紋管管頂覆土的拉裂破壞和剪切滑移破壞［2］。

（2）恒載產(chǎn)生的壓力。涵洞頂?shù)奶钔梁奢d產(chǎn)生的恒載標(biāo)準(zhǔn)值為TD=0.5（1.0-0.1Cs）AfW，計算恒載標(biāo)準(zhǔn)值時采用土拱系數(shù)Af，將填土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用計入公式。

（3）活載產(chǎn)生的壓力。涵洞頂?shù)幕詈奢d（主要為汽車）產(chǎn)生的活載標(biāo)準(zhǔn)值為TL=min{0.5Dhσlmf，0.5ltσlmf}。目前，國內(nèi)外規(guī)范都是采用車輛荷載通過路面層與路基擴散到結(jié)構(gòu)頂部得到作用在結(jié)構(gòu)上的活載標(biāo)準(zhǔn)值計算方法。

（4）總荷載產(chǎn)生的壓力。

按考慮地震荷載和不考慮地震荷載的影響分為兩種類型，地震荷載影響的壓力公式如下：

2 鋼波紋管涵洞的耐久性設(shè)計

鋼波紋管涵洞用鋼板壓制成波紋的形狀，通過拼裝和螺栓連接成管涵結(jié)構(gòu)，代替了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管體或支承結(jié)構(gòu)體。由于鋼材易腐蝕性和波紋特殊形狀，在設(shè)計中除了考慮結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足規(guī)范要求外，還需要對結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計，提高碳素結(jié)構(gòu)鋼的抗腐蝕性。

耐久性設(shè)計對鋼波紋管涵洞的建設(shè)使用至關(guān)重要，影響到管涵的使用壽命，以及全壽命周期的經(jīng)濟性。目前，我國鋼波紋管涵洞的耐久性設(shè)計大多數(shù)只是對鋼波紋板用熱浸鍍鋅防腐處理（只有《波紋鋼管（板）》6.3.1提及），并沒有根據(jù)不同區(qū)域采用針對性的防腐方案。實際上，鋼波紋管涵洞的耐久性設(shè)計應(yīng)在現(xiàn)場勘察調(diào)查后，提取耐久性設(shè)計計算的參數(shù)，并結(jié)合管涵使用壽命計算結(jié)果和防腐設(shè)計方法進行耐久性設(shè)計，這樣的方法更符合工程實際。

2.1 涵位現(xiàn)場勘查資料調(diào)查

根據(jù)涵位所處位置的勘察資料，包括水質(zhì)和土壤的研究分析報告、水文計算、水流流速及水質(zhì)含砂情況，提取土壤和水的電阻率、pH值、土壤含水量，水質(zhì)含泥沙的參數(shù)，通過防腐設(shè)計方案和金屬涵管壽命綜合進行耐久性設(shè)計。

2.2 鋼波紋管涵洞防腐設(shè)計

鋼波紋管涵洞的外側(cè)被路基填料填充，內(nèi)側(cè)與水、空氣直接接觸，且受到水流沖刷的影響，土壤、水和管壁金屬發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對管壁涂層造成腐蝕性破壞，環(huán)境電阻率、pH值、土壤含水量是影響管壁腐蝕速度的主要因素，水自身的硬度及水流沖刷攜帶的顆粒物對管道的磨蝕也是重要因素之一。

鋼波紋管涵洞耐久性、防腐蝕設(shè)計的內(nèi)容主要有：金屬涂層、非金屬涂層、內(nèi)襯設(shè)置。通常情況下，中等腐蝕和弱腐蝕條件下，采用金屬涂層工藝；強腐蝕條件下，在金屬涂層基礎(chǔ)上增加非金屬涂層作為結(jié)構(gòu)防腐補充措施，非金屬涂層采用水泥砂漿或混凝土保護層、瀝青材料涂層、聚合物涂層等；內(nèi)襯設(shè)置是為了減少顆粒物對管壁的磨蝕，常用的內(nèi)襯材料有混凝土、瀝青和塑料等。

2.3 鋼波紋管涵洞使用壽命計算

國外對金屬鋼波紋管涵洞在極限狀態(tài)下的耐久性設(shè)計主要是從管涵的使用壽命來考慮的，目前主要依據(jù)美國鋼鐵協(xié)會AISI發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，1.6 mm鍍鋅鋼板預(yù)期的使用壽命的公式為：

按照鍍鋅鋼板平均使用壽命的計算公式，繪制出環(huán)境pH值、土壤電阻率和鋼波紋管涵洞平均使用壽命之間的關(guān)系圖（圖2），用來判定結(jié)構(gòu)大致的使用壽命和失效時間，該數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)涵壁防腐維修、養(yǎng)護。具體的計算方法是：（1）根據(jù)涵位資料得到土壤電阻率大小R，在橫坐標(biāo)找到R值作垂線，與確定的環(huán)境pH線相交；相交點對應(yīng)的豎坐標(biāo)數(shù)值即為涵洞外壁接觸土壤的使用壽命；（2）如果要計算水流側(cè)的管涵壽命，將水與土壤的電阻率進行替換，再采用前文圖表和公式計算；（3）不同壁厚的涵管，如要采用公式和圖表，需要乘以相應(yīng)的換算系數(shù)，即可得到對應(yīng)的使用壽命（表2）。

3 工程應(yīng)用實例

3.1 工程背景

南寧至北海公路（南間至黎合江段）改擴建工程是二級公路提級改造項目，項目過村鎮(zhèn)路段多，建設(shè)周期長、施工交通組織難度大。項目建設(shè)中，部分拆除重建的涵洞在基坑開挖后，存在地質(zhì)情況較差的情況。為解決涵洞施工中發(fā)現(xiàn)的上述問題，充分發(fā)揮鋼波紋管結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)能力，將鋼筋混凝土涵洞變更為鋼波紋管涵洞。項目K8+670段涵洞基坑開挖完成后，淤泥較深，清淤換填的工程量較大。綜合考慮地質(zhì)的復(fù)雜程度、施工組織、工期要求等因素，將原蓋板涵變更為直徑2×4.5 m的鋼波紋管涵洞。

3.2 鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)計算

鋼波紋管涵洞跨徑布置為2×4.5 m，最大填土高度取4.8 m（實際4.06 m），鋼板厚度為6 mm，波形為200 mm×55 mm，波紋鋼板材質(zhì)采用Q235，A=7.11 mm2/mm，I=2 771.36 mm4/mm。其主要參數(shù)如表3所示。

采用CHBDC法極限狀態(tài)設(shè)計理論對該項目結(jié)構(gòu)進行計算。根據(jù)CHBDC規(guī)范7.6.4.1條的規(guī)定：

3.2.1 最小覆土高度

3.2.2 荷載組合

根據(jù)CHBDC規(guī)范7.6.3.1.1條規(guī)定，荷載組合：Tf=αDTD+αLTL（1+DLA）=467.44 kN/m

其中行車動荷載影響系數(shù)DLA=0.1。

3.2.3 抗彎強度驗算

3.2.4 結(jié)果分析

上述計算結(jié)果表明，K8+670段鋼波紋管涵洞實際的填土高度大于規(guī)范要求的最小覆土高度，管涵管壁強度滿足結(jié)構(gòu)驗算的要求。K8+670段鋼波紋管涵洞采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝的方式，加快了施工進度，減小對現(xiàn)狀交通的影響。

3.3 鋼波紋管涵洞使用壽命與防腐設(shè)計

該項目處于沿海地區(qū)，根據(jù)勘查報告、水質(zhì)分析報告，涵位處屬于中、強腐蝕地區(qū)，參考國內(nèi)先進金屬管防腐方法，防腐設(shè)計采用了HDPE熱鍍鋅碳鋼復(fù)合波紋管防腐技術(shù)。具體的工藝為：在碳鋼上雙面熱鍍鋅后又熱壓塑料膜。其中，碳鋼材質(zhì)為Q235或Q345，碳鋼表面雙面熱鍍鋅（鍍鋅量為每面600 g/m2），表面熱壓高密度聚乙烯（HDPE）土工膜，在HDPE土工膜與鍍鋅層之間熱壓一層改性HDPE膠膜。這種防腐技術(shù)與傳統(tǒng)的熱鍍鋅碳鋼波紋管相比，具有更好的耐磨性。

經(jīng)過AISI圖表計算法、疊加法以及相關(guān)試驗的分析比較，HDPE熱鍍鋅碳鋼復(fù)合波紋管綜合防腐蝕壽命可＞100年，而單獨的HDPE膠膜在土壤中的使用壽命按公式計算為66年，單獨熱鍍鋅碳鋼復(fù)合波紋管（板）的防腐壽命為67年。因此，該項目碳鋼復(fù)合波紋管較傳統(tǒng)的熱鍍鋅碳鋼波紋管可延長防腐蝕壽命＞30年。

4 結(jié)語

鋼波紋管涵洞具有較為廣闊的推廣應(yīng)用前景，在整體穩(wěn)定性、實用性、經(jīng)濟性等方面有很大的優(yōu)勢。本文通過工程實例，研究分析了公路鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)計算方法和耐久性設(shè)計，主要得出以下結(jié)論：

（1）在鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)驗算中，CHBDC法更符合項目實際情況，充分考慮了管涵與回填材料之間的相互關(guān)系，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計的精度，確保鋼波紋管涵洞結(jié)構(gòu)的安全性［3］。

（2）耐久性設(shè)計對鋼波紋管涵洞的建設(shè)使用至關(guān)重要，直接影響管涵的使用壽命、全壽命周期的經(jīng)濟性和建成后的維修養(yǎng)護。在借鑒國外先進成果的同時，應(yīng)加快對鋼波紋管涵洞的試驗研究，促進相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范完善形成。

（3）本文提出了公路鋼波紋管涵洞的結(jié)構(gòu)計算方法和耐久性設(shè)計，提高了鋼波紋管涵洞的防腐蝕壽命，可供同類型的工程項目參考。

參考文獻

［1］姚昌海.淺談公路波紋鋼管橋涵施工［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013，9（6）：211-214.

［2］李欣欣.鋼波紋板橋涵設(shè)計與實例分析［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2012.

［3］王 告.山區(qū)公路大直徑鋼波紋管涵設(shè)計施工技術(shù)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

收稿日期：2024-03-21

作者簡介：黃榮豐（1994—），助理工程師，主要從事公路橋涵設(shè)計研究工作。