螺旋波纹钢管涵洞现场应变测试有限元分析

李鹏飞+胡滨+曹彪

摘要：对直径为1.5 m的小孔径螺旋波纹钢管涵洞进行现场测试，用有限元软件对管周和轴向测试数据进行分析，并将分析结果与现场涵洞的实际变形情况进行对比。结果表明：螺旋波纹管波谷、波峰的切向应变差值与所处位置基本无关；车辆在路面行驶时，螺旋波纹管波峰、波谷出现的都是拉应变。该研究为国内螺旋波纹钢圆管涵洞的使用和分析提供了依据。

关键词：螺旋波纹钢管；涵洞；应变测试；有限元分析

中图分类号：U449.83文献标志码：B

Abstract： Through the field test of spiral corrugated steel pipe culvert with diameter of 15 m， the finite element software was used to analyze the tube and axial test data， and the results of the analysis were compared with the actual deformation of the culvert. The results show that the tangential strain difference of the wave crests of the spiral corrugated pipe is basically independent of the position； when there are vehicles running on the road， the wave crests of the spiral corrugated pipe all show tension strain. This study provides the basis for the use and analysis of domestic spiral corrugated steel pipe culverts.

Key words： spiral corrugated steel pipe； culvert； strain test； finite element analysis

0引言

随着波纹钢管在道桥工程建设中的推广应用，其工期短、工艺简单等优点逐渐突显，越来越多的工程，尤其是涵洞、小桥等，选择用波纹钢管取代钢筋混凝土结构[13]。其中应用和研究较多的是环形波纹钢管，如纳启才等[46]对冻土区波纹钢管涵洞进行应变测试及效益分析，为波纹钢管在高寒高海拔地区的应用提供了参考；张红宇等[79]研究了大孔径波纹钢管涵洞的受力和经济效益，为大孔径波纹钢管的使用提供了经验；张东山等[1012]通过大孔径波纹钢管涵洞在多雨山区公路上的应用，提出了山区公路波纹钢管涵洞施工的质量控制标准。这些工作在一定程度上都给出了环形波纹钢管涵洞在实际工程应用中的研究成果；但是随着波纹钢管的推广，螺旋波纹钢管也开始出现，有关螺旋形波纹钢管的应用和研究还比较少。

本文以泗许高速公路为依托，通过对现场螺旋波纹钢管涵洞进行应变测试，探讨螺旋波纹钢管涵洞在实际应用中的受力应变情况，为螺旋波纹钢管的推广和应用提供参考。

1试验方案

1.1涵洞基本情况

泗许高速公路安徽淮北（宿州）段1标有直径15 m小孔径螺旋波纹钢圆管涵洞，桩号为K8+4233。波形采用125 mm×25 mm形式，波圆弧半径为40 mm；设计壁厚为3 mm，填土高度为329 m，斜交角为70°。

1.2應变片及测点布置方案

管周应变测试点布置如图1所示。

在距离路中心线2 m处，取波谷、波峰2个测试断面，每个断面布设12个测点，共计24个测点；其中奇数表示波谷位置，偶数表示波峰位置，每个测点处布设1个应变片，粘贴于管内侧。轴向应变测试方案为：沿管轴线方向自路中心线2 m处至边坡，在管顶0°处的波谷、波峰位置依次均匀布设56个轴向应变片，将管周0°测试位置作为轴向测试的起始位置；之后54个应变片分3个测区，每个测区长45 m且均匀布设18个应变片，即每4个波（05 m）中在1个波峰和1个波谷上布设应变片，如图2所示。应变片通过导线连接至BZ2205C程控静态电阻应变仪。

测试时填土高度为26 m，车辆前轴重286 t，后轴重992 t，总重1278 t，轴距为45 m，轮距为18 m。以后轴作用点对应位置为各个测试工况。车辆按照图3所示的方向沿道路前进，以管中间跨中位置为坐标零点（对应编号19、29、39），分别沿路线方向以1 m的距离向两端延伸。试验工况设计为：车辆在超车道、行车道、紧急停车道（路肩）行驶时平行测试3组，共39个试验工况，编号11～113为紧急停车道（路肩）行驶工况，21～213为行车道行驶工况，31～313为超车道行驶工况。

1.3应变片粘贴与仪器连接

在对应测点内表面粘贴应变片。应变片的粘贴步骤依次为：定点打磨、砂纸磨平、酒精清洗、粘贴应变片、粘贴端子、绝缘处理、焊接端子与应变片、焊接电线、检查连接、连接测试箱、连接仪器、准备测试。各仪器按要求连接，避免断路、短路和线路接触不良等情况发生。连接波纹管、应变片、平衡铁块、应变仪、计算机，并外接电源，使各仪器稳定正常工作。

1.4测试步骤

测试仪器连接妥当后，使车辆在对应工况位置停车测试，完毕后进入下一工况。按照平衡、测量、读数的操作步骤使用应变仪进行测量，在第1次测量前只进行1次平衡。

2螺旋波纹钢圆管周向试验数据分析

图4～6分别为车辆在路肩、行车道、超车道移动时波纹管的应变变化。可以看出，车辆在3个车道移动时波谷、波峰表现出的应变变化规律基本是相同的：随着车辆驶来，螺旋波纹钢管波谷、波峰的切向应变随之增加。但是在模型计算中并没有这种现象，所以本文在有限元的数据中只提取了车辆位置在-8～0 m的数据。其原因可能是土壤黏结力和内摩擦角造成的“延时效应”[1315]。

从图4（a）、图5（a）和图6（a）可知：波谷应变值在管周45° 位置较其他位置大，225° 位置最低。说明无论波峰、波谷，车辆驶来时45° 测点的应变都会受到很大的影响。分析图6（b）可得，超车道对应应变值较大的测点依次为135°、30°、45°、90°；180° 测点最小。与图4（b）、图5（b）相对比，超车道这种现象更加明显。这是由于超车道是管周测区所在位置车道，车辆对管周应变的影响较大，同时车辆移动接近测区时，0°～180° 这一侧是迎着车头的测区，其应变值较180°～360° 侧大。

为有效分析螺旋波纹钢圆管的断面应变，把每个车道距涵管中心-8 m处作为初始测点，用后续

波峰、波谷数值分别减去该值，得到螺旋波纹钢管相对初始测点的有效应变值，在此基础上可以对管周应变进行分析。

图7为车辆在路肩移动时波纹管的应变，可知波峰、波谷切向沿着断面基本为拉应变，且应变值基本相当，呈现出等拉的“周向圆环状”，即螺旋波纹钢管应变沿管周基本不变，这是螺旋波纹钢管由钢带螺旋状卷制形成的结果[1617]；波谷45° 测点处存在突出点。车辆位置从-7～0 m变化时相邻工况的2条曲线间隔较大，对应的应变增量较大。车辆位置继续变化，对应曲线间隔较小，相应增量也较小。

图8为车辆在路肩移动时波峰、波谷的应变差，其随管周角度的变化规律为：应变差在15°、135°、225°和300°测点表现为正值，在180°表现为较大的负值。这是因为在管顶填土的情况下，180°时管底波谷与基础直接接触，拉应变较大，且上部荷载越大，该部位的波峰、波谷应变差也就越大。波峰、波谷切向应变差值基本与荷载位置没有很大关系，而且各个测点应变差在一个很小的范围内变动，基本保持一个相对固定的值。这说明随着车辆荷载的移动，各个测点的波峰和波谷的变化基本相同。

图9为车辆在行车道移动时波峰、波谷切向应变变化，可知沿着断面基本为拉应变，且应变值基本相当，呈现出等拉的“周向圆环状”。45°波谷具有一定的缺口，但随着车辆位置的移动，这些缺口慢慢被修复。管底最大压应变为47 με，且随着车辆位置的移动，压应变也被缓和。即荷载的加入使得管周受力更加均匀，让管材结构形式得到充分发挥。

图10为车辆在行车道移动时波峰、波谷应变差随着管周角度的变化规律，可知波峰、波谷应变差在135°、225° 测点表现为正值，在180° 测点表现为较大的负值。对每个测点进行分析可得：波峰、波谷切向应变差值与荷载位置没有很大关系，而且各个测点的应变差都在一个很小的范围内变动，基本保持一个相对固定的值。这说明各个测点的波峰和波谷应变变化基本相同，且与车辆荷载的相关性较小。

对比图10、12分析可知：车辆在不同车道移动时，波峰、波谷应变差随着管周角度的变化规律具有一定的相似性，即波峰、波谷应变差在135°、225° 测点大多表现为正值，在180°处表现为负值。这是因为在管顶填土的情况下，180°时管底波谷与基础直接接触，拉应变比较大，且上部荷载越大，该部位的波峰、波谷应变差也就越大。

3螺旋波纹钢圆管轴向试验数据分析

图13～15为各车道荷载移动对管顶横向位置应变的影响，可以看出：车辆在路肩行驶时，管顶波谷、波峰切向应变在21～28波变化幅度较大，波谷、波峰应变值变化比较活跃，0～21波则没有明显跳动。说明在低路堤路肩施加荷载时，螺旋波纹钢管涵洞管端受力影响较明显；同时螺旋波纹钢管的受力优势正是在于其波形的存在，当车辆靠近螺旋波纹钢管时，波峰、波谷的应变值立即就会发生明显变化，以抵抗外界荷载。

车辆在行车道行驶时，波谷、波峰切向应变在8～22波变化幅度较大。同时可以看出低路堤的重车荷载对螺旋波纹钢管涵洞的影响幅度在15个波左右，影响管长为75 m。

当车辆在超车道行驶时，波谷、波峰切向应变在0～7波变化幅度较大。可见车辆对涵洞的影响范围并没有其在行车道移动时大，这是因为车辆扩散长度超出测试区域所致。

4结语

（1）螺旋波纹钢管的管周向应变值在0°～180° 测区位置较180°～360° 大，且波峰、波谷最大应变值分别出现在45°、135° 测点。随着车辆驶来，各车道对应的螺旋波纹钢管波谷、波峰切向应变随之增加。波峰、波谷切向应变差值基本与车辆荷载位置不相关，而且各个测点应变差基本保持在一个相对固定的值。

（2）随着车辆的移动，波峰、波谷切向沿着周向断面基本为拉应变，且应变值基本相当，呈现出等拉的“周向圆环状”。

（3）车辆在各个车道行驶时对应的该区域轴向应变值变化较活跃，大多数是谷值大于峰值；荷载对低路堤螺旋波纹钢管涵洞的影响范围在15个波左右。

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