波纹钢明挖涵洞分块及选型研究

车青森， 李亚利， 刘思远， 逯 平

（北京市市政二建设工程有限责任公司，北京 100141）

由于具有综合造价低、变形能力强、对基础要求低、运输方便、施工周期短、安装方便、工厂化预制、施工速度快、环保等明显优势，国内开始使用波纹钢管涵代替混凝土管涵[1～2]。诸多学者[3～5]对波纹钢管的力学性能、波纹大小及厚度对结构受力的影响，填土模量对波纹钢管受力和变形影响，不同填土高度下壁厚对钢波纹管力学性状影响等方面进行了大量研究；而对不同形状波纹钢明挖涵洞分块及选型研究较少。因此本文主要对方拱形和圆形明挖涵洞不同波形、厚度、管径、埋深分别组合进行选型研究并对不同跨径每环分块情况进行研究。

1 模型建立

利用ABAQUS 有限元分析软件进行模拟，采用线弹性本构模型。见表1。

表1 静力计算本构关系参数

波纹钢涵洞截面由直线段和圆弧线段拟合而成，整个断面由波纹高度D、波长P、内径R、规定壁厚T、正切角度θ和切线长度TL等相关参数确定。见图1。

图1 波纹钢涵洞尺寸

为了研究波形参数对波纹钢涵洞的受力变形影响，对模型进行相应的简化。

1）计算区域：横向选取整环波纹钢涵洞，纵向取3个波长。

2）边界条件：为保证计算过程中模型不发生整体转动及左右滑动，仅在波纹钢涵洞下部选一条直线完全固定，其他部位不施加任何约束，假定为自由面。见图2。

图2 固定支座位置

3）均质材料：模型建立过程中，认为所假定的波纹钢材料是各向同性的。

4）加载方式：作用在波纹钢涵洞上下的竖向均布荷载和左右的水平均布荷载。

2 不同型号对波纹钢管涵洞刚度和强度的影响

不同截面形式波纹钢涵洞计算工况见表2。

表2 不同截面形式波纹钢计算工况mm

2.1 不同波形

2.1.1 对涵洞刚度影响分析

在50 kPa 垂直均布荷载及40 kPa 水平均布荷载的作用下，涵洞的波形越大，产生的变形就越小。工况2比工况1变形减小了77%，波形工况3比波形工况2变形减小了13%。见图3。

图3 不同波形影响结构位移变化趋势

随着波形的增大，波纹钢涵洞刚度对波形的敏感性逐渐降低且在1 m 管径条件下，波形＞150 mm×50 mm后，涵洞刚度对波形的敏感性较低。

2.1.2 对涵洞强度影响分析

在50 kPa 垂直均布荷载及40 kPa 水平均布荷载的作用下，涵洞的波形越大，涵洞应力越小。工况2比工况1 应力减小了29%，工况3 比工况2 变形减小了26%。见图4。

图4 不同波形影响结构应力变化趋势

随着波形的增大，波纹钢涵洞强度对波形的敏感性逐渐降低，但强度敏感性降低幅度远低于刚度敏感性。

2.2 不同厚度

不同厚度波纹钢涵洞计算工况见表3。

表3 不同厚度波纹钢计算工况mm

2.2.1 对涵洞刚度影响分析

在50 kPa垂直均布荷载及40 kPa水平均布荷载的作用下，涵洞的厚度越大，产生的变形越小。工况2比工况1 变形减小了16%，工况3 比工况2 变形减小了13%。见图5。

图5 不同厚度影响结构位移变化趋势

随着板厚的增大，波纹钢涵洞刚度对板厚敏感度逐渐降低。

2.2.2 对涵洞强度影响分析

在50 kPa 垂直均布荷载及40 kPa 水平均布荷载的作用下，涵洞的厚度越大，涵洞应力就越小。工况2比工况1应力减小了25%，工况3比工况2应力减小了19%。见图6。

图6 不同板厚影响结构应力变化趋势

随着波形的增大，波纹钢涵洞强度对波形的敏感性逐渐降低，但强度敏感性降低幅度略大于刚度敏感性降低幅度。

3 波纹钢明挖涵洞选型数值模拟

目前，对波纹钢涵洞或综合管廊一般是按照正常使用极限状态和承载能力极限状态设计，其中正常使用极限状态设计采用数值模拟对结构的变形进行验算，故拟通过数值模拟建立波纹钢涵洞的选型表，为波纹钢涵洞的设计提供参考。

对不同波形、厚度、管径、埋深、截面形式进行组合分析，不考虑围岩自承能力，埋深通过土压力公式换算成荷载，土压力按照静止土压力计算。见图7。

利用ABAQUS 有限元分析软件，采用荷载-结构模型进行计算。根据波纹钢涵洞变形与设计值相差≯2%[6]的规定，对数值模拟结果进行分析、验算，得出了圆形波纹钢选型见图8和图9。

图8 圆形波纹钢涵洞选型

图9 方拱形波纹钢涵洞选型

4 装配式波纹钢涵洞分块研究

4.1 分块原则

装配式结构是在整体结构形状上进行分块预制，主要从结构受力状态、构件质量、拼装难度、运输成本等角度进行考虑。从结构受力角度来说，接头是整个结构的薄弱部位，容易承受比较大的轴力和剪力，但是很难承受较大的弯矩，因此目前主流的分块方式为在整体衬砌零弯矩（以下称为“弯矩最小位置”）位置进行分块，尽可能保持原结构受力状态，对原结构受力扰动较小。

从现场施工角度来看，在制造和安装可能的前提下，预制结构应该尽量大一些，可以减少环向接缝的数量和漏水的可能。拼装构件的纵向长度不应过大或过小，纵向长度过小会增加环向接头的数量，给接头防水增加难度；纵向长度过大会增加运输成本和现场拼装难度。

4.2 分块设计

4.2.1 方拱形涵洞

采用Midas GTX NX 有限元软件对整体涵洞结构进行受力分析，使用经典的荷载-结构模型进行涵洞结构的内力分布计算。波纹钢结构采用1D 梁单元进行模拟，结构共被划分为120个单元。

当结构断面较小，即涵洞跨径＜2 m 时，结构分为4块较为合适；当结构断面较大，即涵洞跨径＞2 m时，结构分为8块较为合适。见图10。

图10 方拱形涵洞分块

4.2.2 圆形涵洞

采用Midas GTX NX 有限元软件对整体涵洞结构进行受力分析，使用经典的荷载-结构模型进行涵洞结构的内力分布计算。波纹钢结构采用1D 梁单元进行模拟，结构共被划分为100个单元。

当结构断面较小即涵洞跨径＜2 m 时，结构不分块即采用整环较合适；当结构断面较大即涵洞跨径＞2 m时，结构分为4块较为合适。见图11。

图11 圆形涵洞分块

5 结论

1）涵洞的波形越大，其刚度和强度均越大；但随着波形的增大，其刚度和强度对波形的敏感性逐渐降低，刚度对波形的敏感性降低幅度较大。

2）涵洞的厚度越大，其刚度和强度均越大；但随着厚度的增大，其刚度和强度对波形的敏感性逐渐降低，强度对厚度的敏感性降低幅度较大。

3）通过数值模拟的方式，提出了波纹钢涵洞选型表，为明挖波纹钢涵洞选型设计应用提供参考。

4）方拱形涵洞在跨径＜2 m 时，每环宜分为4 块，在跨径＞2 m 后，每环宜分为8 块；圆形涵洞在跨径＜2 m时，宜采用整环不分块，在跨径＞2 m后，每环宜分为4块。