钢制波纹管在漾泉大道的设计与应用

张 杰

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)



钢制波纹管在漾泉大道的设计与应用

张 杰

(太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002)

介绍了钢制波纹管在国内外的应用现状及优点，并以漾泉大道工程为例，从计算参数选取、荷载计算、强度验算等方面，阐述了钢制波纹管在道路涵洞应用中的结构计算方法，总结了钢波纹管涵的施工要点，保证了工程的施工质量。

钢制波纹管，涵洞，荷载，强度验算

1 钢制波纹管的国内外应用

早在1784年英国率先发明金属波纹管桥涵，然后在1896年美国最早开始了波纹钢板通道、涵管的研究，并且首次在公路涵洞中应用。1923年美国铁路工程协会在伊利诺斯州中央铁路进行了波纹钢板通道的测试。此后，波纹钢管涵洞产品被广泛应用于美国和加拿大公路工程，并制定了相应的技术标准、设计制造及施工安装手册。到二十世纪八九十年代东亚国家如日本和韩国也提出相应的金属波纹管桥涵的技术规范，开始广泛使用。全世界近百年来的应用情况，已验证了在各种情况下金属波纹管桥涵的普遍适用性。现在，世界各国关于钢波纹管涵的国家标准和规范比较齐全，技术已经非常成熟，其使用寿命也超过了设计寿命。

20世纪40年代我国已开始了金属波纹管桥涵的应用。抗日战争时期滇缅公路使用了从美国进口的波纹钢板。1997年—1999年，在青藏公路多年冻土区安装了3道(2道整体式、1道拼装式)管涵。

自2000年以来，国内如内蒙古、山西、河北等地区也逐步开始应用钢波纹管涵。

2 钢波纹管涵的优点

1)耐久性强，钢板表面通过热浸镀锌，形成了细密的保护层，因此抗腐蚀性能优异。2)施工工期短，现场安装方便、快捷。3)工厂集中化生产，质量稳定、可靠。4)适应变形能力强，可用于软土、膨胀土地、湿陷性土地等地基承载力较低地区。5)对环境破坏小，利于环保。

3 工程概况

漾泉大道位于阳泉市北侧，阳泉市郊区南侧。道路东起阳泉市郊区白家庄村北的阳五高速公路阳泉出口处，西至新北大街，道路设计全长6 191.555 m，是一条阳泉市区及郊区对外联系的城市主干路。甄家庄河段位于阳泉市漾泉大道第五标段K5+408.5处。

甄家庄河段是李家庄河的主要支流，漾泉大道上跨该河段，故需在甄家庄河道处修筑地下排洪涵洞。甄家庄河道涵洞工程防洪标准为百年一遇，该河段设计流量为75.7 m3/s。

该涵洞位于煤矿采空回填区，回填最高达90 m，地基压实不够均匀，工后沉降问题较大，经两次专家会论证，为提高工程的稳定性及安全性，本工程排洪涵洞设计采用钢波纹管涵。

4 钢波纹管涵结构计算分析

4.1 计算参数

汽车荷载等级：公路—Ⅰ级，环境类别：Ⅰ类环境。

钢波纹管涵内径D=3 000 mm，钢波纹管涵壁厚δ=10.0 mm。

波纹管波长q=300 mm，波纹管波高h=110 mm。

填土深度H=41 100 mm，钢波纹管直边段长度Lt=60 mm。

填土容重γ1= 18.00 kN/m3，钢波纹管容重γ2=78.00 kN/m3。

钢波纹管弹性模量E=200 GPa。

4.2 荷载计算

1)恒载计算。

填土垂直压力(土压力)：

P恒=γ1×H=18.0×41 100/1 000=739.8 kPa。

2)活载计算。

按《公路桥涵设计通用规范》第4.3.1条和第4.3.2条规定，计算采用车辆荷载；当填土厚度不小于0.5 m时，涵洞不考虑冲击力。

按《公路桥涵设计通用规范》第4.3.4条规定：

计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下作30°角分布。参照《公路小桥涵设计示例》。

按规定计算荷载分布宽度a=5.1+2×41.1×tan30°=52.558 m。

计算荷载分布长度b=12.8+2×41.1×tan30°=60.258 m。

车辆荷载为550 kN×2=1 100 kN。

因此活载计算为：

P汽=(2×550)/(a×b)=1 100/(52.558×60.258)=0.347 kPa。

3)荷载组合。

按《公路桥涵设计通用规范》第4.1.6条进行作用效应组合。

承载能力极限状态组合：

Pud=1.5×P恒+1.5×P汽=1.5×739.8+1.5×0.347=1 110.221 kPa。

正常使用极限状态组合：

短期组合Psd=P恒+0.7P汽=739.8+0.7×0.347=740.043 kPa。

长期组合Pld=P恒+0.4P汽=739.8+0.4×0.347=739.939 kPa。

4)荷载分析。

钢波纹管涵洞的设计荷载由恒载和活载组成，恒载主要是涵洞上的回填土压力，活载主要为行驶在涵洞上的汽车荷载。由于本涵洞填土较高，活载所占比例很小，对荷载影响可忽略不计。

4.3 强度验算

1)波纹管允许应力[σ]。

波纹管涵材质为Q345钢材，其屈服强度最小为345 MPa。

钢材允许应力[σ]采用屈服应力除以安全系数得到，取安全系数为2，则：[σ]=345/2=173 MPa(数值取整)。

2)验算结果。

按照国家技术标准GB/T 12777—2008金属波纹管膨胀节通用技术条件中附录A.2中规定：

(1)

式中：p——荷载作用，MPa；

D——波纹管涵内径，mm；

δ——波纹管厚度，mm；

n——材料层数，n=1；

Lt——波纹管直边段长度，mm；

E——弹性模量，MPa；

Cwb——有效系数，取为1.0；

下标为c的相关参数如Lc，Dc等为加强套环的相关参数，本计算不涉及。

(2)

其中，Kr为周向应力系数，取为1.02；q为波距，mm；Dm为波纹管平均直径，Dm=D+h+nδ,h为波高，mm；Acu为单个波纹的金属横截面积的数值，mm2，Acu=δ(0.571q+2h)。

对承载能力极限状态进行验算：

135.413 MPa≤Cwb[σ]=173 MPa。

对正常使用极限状态进行验算：

3)强度验算结论。

经对承载能力极限状态以及正常使用极限状态两种情况下的强度进行验算，钢波纹管涵的强度满足要求。

5 钢波纹管涵的施工

5.1 钢波纹管涵施工工艺流程

工艺流程为：施工前准备→施工放样→开挖涵管基坑→平整场地→基础分层回填→检测压实度、含水量等→水准测量→平整场地→施工放样→拼装管节→检测水密情况及管底纵坡→检测并补救防腐涂层→涵管就位→两侧分层回填→检测压实度、含水量等→管顶分层回填→检测压实度、含水量等→进出口处理。

5.2 钢波纹管涵施工要点

钢波纹管涵施工质量主要从以下几方面进行控制：

1)钢波纹管涵地基及垫层施工。

2)钢波纹管涵的运输及现场拼装、连接。

3)钢波纹管涵两侧及顶部回填。

4)洞口处理。

钢波纹管涵具有强度高、质量轻、安装方便、费用低及抗变形能力强等优点，但上述特点需建立在设计合理、施工可靠的基础上，因此，良好的安装施工是保障钢波纹管结构安全、可靠的重要条件。

目前，漾泉大道甄家庄河道涵洞已经施工完成一年半，涵洞使用情况良好，建设、施工单位也反映施工简便，达到了预期的设计效果。

[1] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2] JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3] JTT 791—2010，公路涵洞通道用波纹钢管(板)[S].

[4] GB/T 12777—2008，金属波纹管膨胀节通用技术条件[S].

[5] 李祝龙.公路钢波纹管涵洞设计与施工技术[M]．北京：人民交通出版社，2007.

[6] 刘培文，周 卫，张君纬，等.公路小桥涵设计示例[M]．北京：人民交通出版社，2005.

[7] 蔡 枫．钢制波纹涵管的构造设计要点[J]．山西交通科技，2007(4):57-58.

[8] 赵江辉．高速公路涵洞设计浅谈[J]．山西建筑，2010,36(8):283-284.

[9] 史成万，侯 革.钢波纹管涵在高填方路基上的应用[J]．公路与汽运，2007(1):122-124.

Steel corrugated pipe in the design and application of Yangquan road

Zhang Jie

(TaiyuanAcademyofMunicipalEngineeringDesign，Taiyuan030002，China)

This paper introduced the application status and advantage of steel corrugated pipe at home and abroad, and taking the Yangquan avenue engineering as an example, from the calculation parameters selection, load calculation, strength calculation and other aspects, elaborated the structure calculation method of steel corrugated pipe in road culvert, summarized the construction main points of steel corrugated pipe culvert, guaranteed the engineering construction quality.

steel corrugated pipe, culvert, load, strength calculation

1009-6825(2016)11-0143-03

2016-02-01

张 杰(1982- )，男，工程师

U214.87

A