高路堤钢波纹管涵与钢筋混凝土拱涵土压力对比分析

胡小兵+李祝龙+梁养辉+姜涛+胡滨

0 引言

金属波纹管涵洞是采用波纹状管或由波纹状弧形板通过连接、拼装形成的一种涵洞形式，主要由钢、铝或塑料等材料制成。目前国内钢波纹管应用比较广泛，在青海、西藏、内蒙古、山西、河北、新疆、上海、天津、黑龙江、湖北、湖南、宁夏、贵州、广西、广东、吉林等地都有不同程度的应用，已使用钢波纹管累计超过5×105 m。钢波纹管涵洞由于轴向波纹的存在，使其具有优良的受力特征，轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变，可以更大程度上分散荷载的应力集中，更好地发挥钢结构的优势[1-2]。

本文采用4 m孔径的钢筋混凝土涵洞和5 m孔径的钢波纹管涵进行对比分析，研究在高路堤情况下，不同结构形式的涵洞在不同填土高度下土压力的变化情况。由于中国南方地区降雨量偏多，江河湖泊也较多，地质主要以软土、膨胀土为主，加之特有的地形、地貌及地质特征，使公路建设面临不同的需求。山区冲沟多，涵洞填土往往很高，采用钢筋混凝土结构时，其配筋量往往很大；采用钢波纹结构则可以解决高填方的难题，且局部冲积软土及膨胀土地区，应用钢波纹结构作涵洞和通道，不仅可以解决工程对柔性涵洞大变形的需求，而且节省工程投资[3-4]。

1 工程概况

井睦高速公路是江西省高速公路网规划的组成部分，起自井冈山市厦坪，接泰和至井冈山高速公路，经永新县曲白以及井冈山市的新城、古城、宁冈，终于井冈山市赣湘交界处的睦村，与湖南省在建的炎陵至睦村高速公路相接，路线全长43.574 km。全线拟采用双向四车道高速公路标准建设，设计速度为80 km·h-1，路基宽度为21.5 m，采用沥青混凝土路面。路线区内的地貌可分为侵蚀构造低山、侵蚀剥蚀丘陵、侵蚀剥蚀岗地、侵蚀堆积河谷平原4种地貌单元。不良地质及特殊岩土体主要有路堑边坡失稳、软土以及高液限土等。

本文对钢波纹管涵与钢筋混凝土拱涵进行有限元模拟对比分析，填土高度均大于10 m，满足高路堤填方要求。通过测定钢波纹管涵洞随填土高度变化的应力变化规律，将钢波纹管涵洞与钢筋混凝土管涵进行受力比较。

将直径5 m钢波纹管涵置于井睦高速三分部K30+465处，采用拼装式波纹钢圆管，与路线呈110°斜交；波形参数为150 mm×50 mm（波距×波高），壁厚为7 mm（镀锌前）；钢波纹管涵洞所用材料为Q235A钢材，防腐层采用热浸镀锌，修筑过程中使用压路机的质量为25 t；填土密度为1.9 t·m-3，涵顶覆土最大高度为16.8 m。

直径4 m的钢筋混凝土涵洞位于井睦高速K26+845处，采用钢筋混凝土拱通道，与路线呈90°正交；修筑过程中使用压路机的质量为25 t；填土密度为1.9 t·m-3，涵顶覆土最大高度为16.8 m。

1.1 有限元提取数据方案

测试的两道涵洞为高填方涵洞，均采用公路I级车辆荷载标准550 kN，参照现有研究成果制定相应提取数据方案[5]。图1为钢波纹管涵在有限元模拟中各测点的断面提取位置，图2为钢筋混凝土拱涵在有限元模拟中各测点的断面提取位置。

1.2 钢波纹管涵洞及混凝土拱涵的工况

对于本次所采用的两道涵，主要分为4种工况（表1）。

2 运用有限元模拟不同形式涵洞

2.1 有限元网格划分

钢波纹管壳体（shell163）采用四边形网格划分，土体及钢筋混凝土结构采用六面体（SOLID65单元）网格划分，图3和图4分别为钢波纹管涵和钢筋混凝土拱涵划分的有限元网格模型。钢波纹管涵模型尺寸为填土高度16.8 m，管侧两边土体宽度5 m，共划分单元82 645个，节点79 866个；钢筋混凝土拱涵共划分单元102 468个，节点87 432个。材料参数见表2。

钢波纹管涵以及钢筋混凝土拱涵边界条件：底面约束所有位移和扭转自由度，即施加ALLDOF约束，管两侧施加水平位移约束，顶面施加荷载，余面自由。此条件对应于反开槽回填施工工艺[6-7]。

2.2 有限元几何模型

2.2.1 有限元计算荷载

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中4.3.1 条第2款对桥梁结构的局部加载、涵洞等的计算采用车辆荷载规定，取公路-Ⅰ级荷载为验算荷载，其荷载分布立面示意图见图5，车辆荷载见图6。

2.2.2 提取模型应力分布云图

钢波纹管涵有限元模型采用的直径为5.0 m，波纹板的波形规格为150 mm×50 mm×28 mm，材料壁厚为7.0 mm，材质为Q235，计算荷载采用国内公路-Ⅰ级荷载，分别提取管涵在不同填土高度情况下的应力分布情况，管侧各取5.35 m土体。钢筋混凝土拱涵采用拱直径4 m，拱圈厚度0.48 m，基础上下宽度分别为1.94 m、3.41 m，涵洞高3.0 m，分别提取拱涵在不同填土高度情况下的应力分布情况。图7、图8所示分别为有限元模拟钢波纹管涵应力分布图和钢筋混凝土拱涵应力分布图。

从图7、图8位移云图可以得出以下几点结论。

（1）钢波纹管涵的等效应力曲线为凹状（反拱），钢筋混凝土拱涵的等效应力曲线为拱状。

（2）钢波纹管涵管周的土压力值较钢筋混凝土拱涵周围土压力值小，且从云图可以看出钢筋混凝土拱涵的应力值最大。

（3）从云图对比分析知，钢波纹管涵的土层对管的压力分布较均匀，与路基的协同性较好，可以提高行车舒适性。

3 有限元模拟结果及对比分析

3.1 竖向位移比较分析

图9、10为钢波纹管涵以及钢筋混凝土拱涵涵周0°～90°的竖向位移。

从可图9、10中以看出钢波纹管涵洞和钢筋混凝土拱涵竖向位移的分布规律基本一致，并得出如下结论。

（1）随着填土高度的不断增加，涵周外侧各测点竖向位移都逐渐增加。endprint

（2）涵周0°处竖向位移较小，说明土体作用在0°方向上的土压力较小。

（3）涵顶竖向位移相对其他角度较大，说明垂直于涵顶方向的土压力最大。

（4）随着填土高度的变化，土压力存在变化的可能，涵周45°～90°方向出现较为迅速的竖向位移变形，且变形幅度较大。

钢波纹管涵洞不同填土高度管周0°～90°的竖向位移与钢筋混凝土拱涵竖向位移比较见表3。可以看出，钢筋混凝土拱涵的竖向位移小于钢波纹管涵的竖向位移，钢波纹管涵更好地适应了地基变形。

3.2 涵顶2 m处土压力比较分析

由图11、12可以看出钢波纹管涵以及钢筋混凝土拱涵涵顶2 m处的土压力值，并得出如下结论。

（1）随着填土高度从管顶+11.2 m增加至管顶+16.8 m，涵顶2 m处各测点土压力值都逐渐增加。

（2）路中部位均出现土压力值变大、钢波纹管涵应力削弱现象，峰值减小。

（3）从图11、12中可看出，钢波纹管涵土压力呈M状，钢筋混凝土拱涵呈反拱状。

钢波纹管涵洞在不同填土高度管涵顶2 m处土压力与钢筋混凝土拱涵土压力的比较见表4。

分析表4可知，采用钢波纹管涵的土压力小于钢筋混凝土拱涵的土压力。

3.3 右侧竖向1 m处土压力比较分析

由图13、14可以看出钢波纹管涵洞、钢筋混凝土涵洞右侧竖向1 m处土压力分布规律基本一致，并得出如下结论。

（1）随着填土高度从管顶+11.2 m增加至管顶+16.8 m，涵周右侧竖向1 m处各测点土压力都逐渐增加。

（2）采用钢波纹管涵和钢筋混凝土拱涵右侧竖向1米处土压力出现相似分布。

钢波纹管涵洞不同填土高度涵右侧竖向1 m处土压力与钢筋混凝土涵洞的土压力比较见表5。

从表5可以看出，钢波纹管涵右侧竖向1 m处土压力值较钢筋混凝土拱涵的小，说明钢波纹管涵周土压力分布较钢筋混凝拱涵更合理，对结构的破坏力较小。

4 结语

从有限元仿真模拟可以看出，钢波纹管涵洞管壁外受力分布较为均匀，钢波纹管优良的力学性能将管周土压力进行合理的二次分布；而钢筋混凝土拱涵涵周应力值较大，容易使结构出现裂缝或破坏。综上所述得出以下分析结果。

（1）钢波纹管涵在高路堤条件下会出现变形位移现象，且竖向位移大于钢筋混凝土拱涵。

（2）随着填土高度的增加，钢波纹管涵与钢筋混凝土拱涵在涵顶2 m处、涵侧1 m处均出现土压力值增大现象，钢波纹管涵土压力分布呈M形，土压力分布较均匀，且土压力值较钢筋混凝土拱涵小。

（3）在高路堤情况下，土压力作用在钢筋混凝土拱涵上出现最大应力，而钢波纹管涵可以避免最大应力，且合理分布在管涵上。

参考文献：

[1] 冯忠居，乌延玲，贾彦武，等.钢波纹管涵洞受力与变形特性模拟试验研究[J].岩土工程学报，2013，35（1）：187-192.

[2] 李祝龙，孙秀凯，胡 滨，等.高填方路基钢波纹管涵洞分层土压力分析[J].中外公路，2014，34（1）：40-44.

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

[4] 乌延玲，冯忠居，王彦志，等.钢波纹管涵洞受力与变形特性现场试验分析[J].西安建筑科技大学学报：自然科学版，2011，43（4）： 513–516.

[5] 周世生.高路堤涵洞空间竖向压力理论及结构型式优化研究[D]，西安：长安大学，2008.

[6] 王秉勇.涵洞顶填土压力的讨论及计算[J].铁道工程学报，2002（2）：50-54.

[7] Machelski C， Antoniszyn G， Michalski B. Live load effects on a soil-steel bridge founded on elastic supports[J]. Studia Geotechnica et Mechanica， 2006，28（2/3/4）： 65–82.endprint