乡村公路波纹管内衬加固箱涵的受力特性研究

2024-11-11 00:00郭伟刚
工程机械与维修 2024年8期

摘要:为探究波纹管内衬加固箱涵的结构稳定性,以RWC570乡村公路升级维护项目为研究背景,对波纹管内衬加固箱涵的受力特性进行研究。分析不同内衬箱涵应力、位移及环向应变。研究结果表明:两点加载下,波纹钢管内衬加固的钢筋混凝土箱变形性能,优于圆钢管内衬加固的钢筋混凝土箱。需要控制变形量和裂缝宽度,以保证钢筋混凝土箱的安全和耐久性。波纹管内衬加固箱涵具有较好的抗弯承载能力和变形能力,能有效提高箱涵的使用寿命和安全性。

关键词:波纹管;加固箱涵;受力特性

0 引言

在基础设施中,涵洞是用于跨越地形障碍的重要工程,其应用范围广泛。在涵洞结构中,波纹管是常见的一种结构形式,其具有构造简单、施工方便、成本较低等优点,因此被广泛应用于涵洞的建设中[1]。

对波纹管内衬加固箱涵展开研究,有利于提高波纹管结构的稳定性和抗震能力,延长其使用寿命并增强其安全性[2]。目前国内已有多位学者对波纹管内衬加固箱涵进行了研究,并取得了一定成果。张振[3]系统地阐述了波纹管内衬加固箱涵的主要问题和解决方法,介绍了不同的加固技术,包括使用钢筋混凝土、地狱草纤维、聚合物及其他材料作为波纹管内衬的加固措施,发现适当的加固措施可以显著提高波纹管的强度和刚度。宫亚峰等[4]利用塑性分析方法,探讨了通过内衬管加固的波纹钢管的受力特性。研究结果表明,内衬管可以显著提高波纹钢管的承载能力和刚度,并减少局部变形的发展。朱承鸿[5]基于实验,对加筋波纹钢管的结构行为进行了详细研究,发现在适当的加固措施下,加筋波纹钢管的承载能力和变形性能得到了显著提高。王述红等[6]利用层合梁模型对内衬管加固的波纹金属管的受力特性进行了建模分析。结果表明,内衬管的加固可以显著提高波纹金属管的刚度和承载能力,并减小其挠度。

本文以RWC570乡村公路升级维护项目为研究背景,从物理力学和结构力学角度出发,探究不同加固方式对波纹管内衬结构的力学表现的影响,为加固波纹管提供科学、实用的技术方法和理论指导。

1 工程概况

RWC570乡村公路升级维护项目位于东非国家肯尼亚首都内罗毕以西方向约230km左右的博美特郡,施工内容是乡村道路升级改造。当地每年4~5月为大雨季,11~12月为小雨季,雨季水量充沛,箱涵排水具有鲜明的季节特性。

设计箱涵平均5m厚度内土为黑黏土,根据设计进行换填处理。建成后基础处于粉质壤土层中,该层土具有较高的强度,能满足承载力要求。该层土的渗透性较低,且下部厚度较大,因此基本可以忽略渗透变形的影响。

2 试验设计

2.1 构件设计

2.1.1 钢管箱涵总体设计

本文提出了一种利用波纹管内衬加固的方法,以提高箱涵的承载能力。本文根据波纹管的尺寸、内衬的材料、内填料的性能等因素,设计了2种不同材质的钢管箱涵。这两种箱涵具有较高的强度和刚度,能够抵抗较大的荷载和变形。

2.1.2 内衬设计

为了提高波纹管箱涵的刚度和抗裂性,本文采用C30混凝土作为内衬的材料,并预制了内衬的结构,其中包括顶部的拱形和底部的平板。内衬的厚度为200mm,内部设置钢筋网,以增强内衬的抗拉强度和延性。

2.1.3 选择内填料

为了消除波纹箱涵和内衬之间的空隙,防止波纹箱涵的变形和内衬的开裂,选择沙土作为内填料。沙土具有较好的流动性和填充性,能够紧密地填充在波纹箱涵和内衬之间,但其强度较低,不利于传递荷载。成品加固箱涵如图1所示。

2.1.4 不同类型内衬箱涵参数

本研究设计了3种不同类型箱涵,以探究不同参数箱涵受力特性,试件详细参数见表1。表1展示了3种不同类型的内衬箱涵。

2.2 测点布置

采用液压千斤顶和加载板作为加载系统,对试件进行两点加载试验,使试件的上下两端受到集中荷载的作用。加载板的尺寸为1200mm×1500mm。液压千斤顶内部装有压力传感器,用于测量荷载的大小。试件的测点布置见图2。在各测点处,分别在箱涵的内壁和外壁安装应变计,用于测量环向应变。并使用位移计测量试件的位移。

3 结果分析

3.1 变形状况分析

3.1.1 直径变化

图3中展示了试件RCP1、RRCP1和RRCP2的荷载-直径变化值曲线。这些试件分别代表未加固的钢筋混凝土箱、波纹钢管内衬加固的钢筋混凝土箱和圆钢管内衬加固的钢筋混凝土箱。

从图3的形状可以看出,RCP1的曲线呈双曲线状,说明其直径变化值随荷载的增加而增加。直到达到极限荷载时,直径变化值急剧降低,说明其已经破坏。RCP1的极限荷载约为300kN,对应的直径变化值约为-20mm。RRCP1的曲线呈折线状,说明其直径变化值在荷载增加过程中先缓慢增加,然后突然增大,最后又突然降低,说明其经历了弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段等3个阶段。RRCP1的极限荷载约为800kN,对应的直径变化值约为-40mm。RRCP2的曲线呈平滑状,说明其直径变化值在荷载增加过程中平稳地增加,直到达到极限荷载时,直径变化值略有下降,说明其具有较高的延性和韧性。RRCP2的极限荷载约为1100kN,对应的直径变化值约为-10mm。

3.1.2 总体变形

从图3还可以看出,两点加载下,未加固的钢筋混凝土箱RCP1的竖向变形明显大于水平变形。在加载位置的混凝土箱出现剪切形变,进而使箱涵的竖直方向形变增大。

3.1.3 安全和耐久性控制措施

综上所述,波纹钢管内衬加固是一种有效的提高钢筋混凝土箱强度和刚度的方法,但也会增加裂缝的风险。两点加载下,波纹钢管内衬加固的钢筋混凝土箱变形性能优于圆钢管内衬加固的钢筋混凝土箱,为此要控制变形量和裂缝宽度,以保证钢筋混凝土箱的安全和耐久性。

3.2 刚度变化分析

3.2.1 主要参数对比

圆钢管试验结果如表2所示。通过对比波纹钢管内衬加固的钢筋混凝土箱涵RRCP1和RRCP2与未加固的钢筋混凝土箱涵RCP1的轴向力可以发现,加固的箱涵具有更高的承载能力。

初始刚度和割线刚度反映了试件在弹性和塑性阶段的截面刚度。表2中的数据表明,加固的箱涵在这两个阶段都有更高的初始刚度和屈服刚度,说明加固的方法能够增强箱涵的刚度。直径变化值表示试件在受力时的变形程度。表2中的数据表明,加固的箱涵有更小的直径变化值,说明加固的方法能够减少箱涵的变形。

3.2.2 内衬加固效果

钢筋混凝土箱涵的内衬加固技术可以显著提高其承载力、刚度和延性,是一种具有工程实用价值的加固方法。本文分析圆钢管和波纹钢管两种不同的内衬材料对箱涵受力性能的影响,发现圆钢管内衬可以增强箱涵的极限承载力、刚度和变形能力。而波纹钢管内衬虽然也可以提高箱涵的极限承载力、刚度和变形能力,但其延性较低,易于产生脆性破坏。因此,在选择和设计内衬材料时,需要根据工程实际需求进行合理的优化。

根据图3和表2的数据可知,波纹钢管内衬加固的钢筋混凝土箱RRCP2在极限承载力、初始刚度和割线刚度等方面,均显著优于未加固的钢筋混凝土箱RCP1和圆钢管内衬加固的钢筋混凝土箱RRCP1。这表明波纹钢管内衬加固能有效增强钢筋混凝土箱的强度和刚度,提高其在压力、弯曲和剪切等方面的抗性。

3.3 截面应变分析

3.3.1 应变值

图4展示了在100kN的荷载作用下,各试件钢筋混凝土箱内外表面的环向应变分布特征。从图4可以明显看出,内表面的应变值主要分布在管顶A截面和管底E截面,而外表面的应变值主要分布在管侧C、G截面。

这表明在两点加载下,钢筋混凝土箱的内外表面承受不同的力学效应,内表面的弯曲应力较为显著,外表面的剪切应力较为突出。箱肩截面的应变值相对较低,说明管肩截面的受力较为轻微。

3.3.2 应变分布对抗拉能力影响

将加固管RRCP1和RRCP2的应变分布与破坏管RRCP1的应变分布进行对比,以分析不同加固方式对钢筋混凝土箱的抗拉能力的影响。对比发现,采用波纹钢管作为加固内衬,能够有效降低混凝土箱涵的内表面及外表面的受拉应变,其抗拉性能得到显著提升。其中,波纹管内衬加固箱涵内外表面的最大拉应变降低幅度都高于圆钢管内衬加固管。这可能与波纹钢管内衬加固管的波纹形状有关,该形状能增强与钢筋混凝土箱的粘结力,提升加固管的整体性能。

3.3.3 抗裂能力与加固效果

根据试验结果,各试件的应变分布与截面形状和加固措施密切相关,反映了不同箱涵的弯曲性能。相比于未加固的RCP1试件,采用内衬钢管加固的RRCP1和RRCP2试件的应变水平都有明显降低,说明内衬钢管加固能够有效提高箱涵的抗裂能力。此外,波纹钢管内衬的RRCP1试件的应变分布更为均匀,说明波纹钢管内衬的加固效果优于圆钢管内衬的加固效果。

4 结束语

本文基于RWC570乡村公路升级维护项目排水工程,对波纹管内衬加固箱涵的受力特性进行了研究。文中分析了不同内衬箱涵应力、位移及环向应变。得到研究结果如下:两点加载下,未加固的钢筋混凝土箱的竖向变形明显大于水平变形。在加载位置的混凝土箱出现剪切形变,进而使箱涵的竖直方向形变增大。采用波纹钢管作为加固内衬,能够有效降低混凝土箱涵的内表面及外表面的受拉应变,其抗拉性能得到显著提升。波纹钢管内衬加固管的加固效果优于圆钢管内衬加固管。这可能是因为波纹钢管内衬加固管的波纹形状可以增加与钢筋混凝土箱的粘结力,从而提高加固管的整体性能。

参考文献

[1] 徐新,申昊.顶进箱涵钻孔桩加固后背梁设计[J].黑龙江交通科技,2016,39(5):107-108+110.

[2] 江怀雁.地下浅埋箱形混凝土结构在车-土-地下水共同作用下的受力分析[J].混凝土与水泥制品,2019(3):32-34+47.

[3] 张振,牛亚强,丁晓旭,等.基础形式对深埋双孔钢波纹管承载特性的影响[J].路基工程,2022(5):150-155.

[4] 宫亚峰,逄蕴泽,王博,等.基于吉林省路况的新型预制装配式箱涵结构的力学性能[J].吉林大学学报(工学版),2021,51(3):917-924.

[5] 朱承鸿.大跨径箱形钢波纹管洞力学特性数值模拟[J].公路,2022,67(10):131-139.

[6] 王述红,阿力普江·杰如拉,王鹏宇,等.预制矩形箱涵受力性能模拟及其潜在的破坏模式[J].东北大学学报(自然科学版),2018,39(2):260-265.