1、高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析 高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析 邓玉训1，杨 波2，梁养辉3，胡 滨3 (1.江西省九江市公路管理局，江西九江 332001;2.中交第二公路工程局隧道工程公司，陕西西安 710071;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075) 摘 要:通过钢波纹管涵洞管周不同断面的应变值的有限元计算结果与现场实测结果进行对比，采用有限元模型，对不同填土高度在公路-级荷载作用下的钢波纹管涵洞受力变形进行分析。结果表明:管顶0管周45的压应变逐渐增大，而管周150180逐渐减小，管周45120波动变化;波
2、峰和波侧都在管周120出现最大应变值，而波谷在管周90出现最大应变值;管周90、120应作为重点位置观测。 关键词:高填方路基;大孔径;钢波纹管涵洞;有限元分析 目前，国内专家对小孔径(孔径小于4 m)钢波纹管涵洞进行了深入研究，但对大孔径(孔径大于4 m)钢波纹管涵洞的研究较少，高填方路基大孔径钢波纹管涵洞的受力特征没有系统的研究成果，更没有施工控制指标5-8。本文以井睦高速直径5 m钢波纹管涵洞现场试验为依托，采用有限元对不同填土高度公路-级荷载作用下钢波纹管涵洞受力变形进行分析，为大孔径钢波纹管涵洞在高路基情况下的应用提供参考。 1 试验涵洞情况及管内应变片布置 11 钢波纹管涵洞基本情
3、况 本文以桩号K30+465处直径为5 m的钢波纹管涵洞为依托。钢波纹管参数为:波高55 mm，波长200 mm，采用Q235A热轧钢板制成，并采用表面热浸镀锌防腐。该钢波纹管涵洞路基填土高度为20.65 m。 12 现场测试管内应变片布置方案 沿路中心 0、15、30、45、60、90、120、150、180波峰、波谷、波侧管周径向布设应变片，共计27个点，如图1、2所示。现场通过静态应变仪测试荷载作用下钢波纹管涵洞的管内应变，并收集整理测试数据。 图1 钢波纹管涵测试断面应变片布设 图2 管中心应变片布设 2 钢波纹管涵洞有限元计算 21 单元类型选取和材料类型 钢波纹管采用壳体单元，线形
4、材料;土体采用solid单元，非线性材料，选择Drucker-Prager模型，输入土体的 c(黏聚力)、(内摩擦角)值9-10。为了模拟现场情况，将模型分层填筑，并根据现场地质、土质、含水量等条件设置材料参数，具体见表111-12。 表1 材料参数材料类型弹性模量/Pa 泊松比 密度/(kgm3)黏结力/kPa内摩擦角/()钢波纹管 211011 03 7850天然砂砾 45107 018 2100 0 30管顶填土 35107 035 1900 30 21 22 网格划分 用工作平面将管上不规则的图形切割开，尽量切成规则形状，然后将规则图形和不规则图形分开划分网格，网格形状为四边形。用精度
5、更高的mapped命令划分网格，如图3所示。 图3 划分网格后的钢波纹管 将土体单元取成六面体八节点实体单元，在满足精度的条件下将管四周的土体划分得密一些，远离管子的土体划分尺寸可以大一些。单元数目控制在5万10万个，具体见图4、5。 图4 钢波纹管网格划分 图5 模型网格划分整体 23 边界条件 钢波纹管涵洞一般采用反开槽回填施工，为了准确模拟现场，确定以下边界条件:在土体底部约束所有位移和扭转自由度，加ALL DOF约束，管两侧里面施加水平方向约束(Ux)，顶部施加荷载(P)，其余面自由，如图6所示。 图6 边界条件 24 加载求解 设置好非线性选项中的载荷步、子步和其他相关参数后进行加载
6、求解。由于计算模型是从工程构筑物实体中切割出来的，在施加顶面荷载时，考虑周围土体对其产生的影响，应减去所取模型周围土体分担的荷载。因为路面荷载在土体中垂直向下扩散，所以计算出传递到波纹管顶的均布压力大小和分布区域，再将此值按分布区域施加在模型顶面。 3 不同填土高度下钢波纹管涵洞有限元计算应变值与实测结果对比分析 为了真实模拟现场分层填土的情况，建模时应分层递加，所加厚度即为分层填土的厚度。为了计算方便且不影响计算精度，模型侧向和下方填土至少为1倍直径宽度13-14。钢波纹管为薄壳结构，它产生的最大挠度与其厚度同量级，且当薄壳加载临界力时，壳体会发生突然的大变形15。如果结构经受大的变形，其几
7、何形状可能会引起非线性响应，响应的刚度也将发生变化，这时需要采用大变形的几何非线性分析方法。 31 波峰计算值与测试值对比 分别对填土至管顶上03、4、16 m时路中管周不同角度波峰计算值与实测值进行比较，结果如图79所示。 图7 填土至管顶上03 m波峰计算值与现场测量值对比 图8 填土至管顶上4 m波峰计算值与现场测量值对比 图9 填土至管顶上16 m波峰计算值与现场测量值对比 32 波谷计算值与测试值对比 分别对填土至管顶上03、4、16 m时路中管周不同角度波谷实测值与计算值进行比较，结果如图1012所示。 由于测试数据较多，这里仅取其中具有代表性的关键测点作对比分析。由图712可看出
8、:有限元理论计算值所呈现出的应变变化规律与现场实测应变变化规律是一致的，大多数测点的两值非常接近，差异较小;个别测点计算值与实测值差异较大。 图10 填土至管顶上03 m计算波谷值与现场测量波谷值对比 图11 填土至管顶上4 m计算波谷值与现场测量波谷值对比 图12 填土至管顶上16 m计算波谷值与现场测量波谷值对比 原因为:一方面，现场的自然条件(如温度、风速等)、应变片与管壁的黏贴紧密程度、应变片与连接线的焊接效果等对观测结果都有一定的影响，使得测试结果有一定的误差，不能真实反映管壁的受力状态;另一方面，模型只能近似模拟工程实际，不可能替代工程实际16-17。因此，运用有限元所得的理论计算
9、值和实测值在个别点存在较大差异是不可避免的，但不影响对整个应变变化规律的分析。 通过对钢波纹管涵洞进行力学性能有限元计算分析可知:用有限元建立模型对钢波纹管涵洞进行计算分析，其精度满足工程实际需求。按照所选边界条件分析的结果与工程实际拟合比较理想，利用有限元软件对钢波纹管涵洞力学性能进行计算分析是可行的。 4 不同填土高度公路-级荷载作用下钢波纹管有限元计算结果分析 分别对填土至管顶上 05、6、112、2065 m 时，车辆荷载作用于管顶位置路中管周不同角度波峰、波谷切向应变变化规律进行分析。 41 荷载及计算结果 411 公路-级荷载 依据公路桥涵设计通用规范(JTG D602004)，公
10、路-级车辆荷载立面、平面尺寸如图13所示，主要技术指标见表2。计算过程中车辆荷载载重为55 t。 图13 车辆荷载立面、平面尺寸 表2 车辆荷载的主要技术指标车辆总重标准值/kN 550 轮距/m 18前轴重标准值/kN 30 前轮着地宽度及长度/m 0302中轴重标准值/kN 2120 中、后轮着地宽度及长度/m 0602后轴重标准值/kN 2140 车辆外形尺寸(长宽)/m 1525轴距/m 3+14+7+14 412 计算结果 计算工况如表3所示，计算结果见图1417。 表3 公路-级荷载作用下有限元计算工况工况 填土高度 荷载位置1 管顶上050 m 车辆后轴中心位于管顶处2 管顶上6
11、00 m 车辆后轴中心位于管顶处3 管顶上1120 m 车辆后轴中心位于管顶处4 管顶上2065m 车辆后轴中心位于管顶处 42 管周切向应变变化规律分析 填土至管顶上05 m时，荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图18所示。从图18可以看出:波峰在管顶 0为拉应变，管周 15减小，管周30转化为压应变，3090压应变变化较小，管周120迅速增大后又逐渐减小;波谷整体上为压应变，030逐渐减小，30 180逐渐增大，管周180达到最大值;波侧整体上为压应变，0120逐渐增大，而 120180逐渐减小，且在 120出现 图14 填土至管顶上05 m荷载作用下管涵洞应力分布 图15 填土至管顶上
12、6 m荷载作用下管涵洞应力分布 图16 填土至管顶上112 m荷载作用下管涵洞应力分布 最大压应变。 综上可以看出:管顶0管周15波峰为拉应变;波谷、波侧为压应变，且3060逐渐增大;波谷在管周60180压应变继续增大，在180出现最大值;波峰、波侧应变先增大后减小，在管周120出现最大值。 填土至管顶上6 m时，荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图19所示。 从图19可以看出，波峰沿管周角度变化切向应 图17 填土至管顶上2065 m荷载作用下管涵洞应力分布 图18 填土至管顶上05 m管周切向应变随角度的变化 图19 填土至管顶上6 m管周切向应变随角度变化 变在管顶0管周60为压应变且
13、逐渐增大，管周 60、90、180的变化规律为先减小、再增大、后减小。管顶 0、管中 90、管底 180应变值接近于0。最大压应变在管周120。 波谷整体上为压应变，管顶0管周60逐渐增大，在管中90突然增大后又减小，管周120180保持不变，在管周90出现应力集中。 波侧整体上为压应变，管顶0管周60逐渐增大，在管中90突然减小后又逐渐增大。 综上可以看出:波峰、波谷、波侧整体上都为压应变。管顶0管周45压应变都逐渐增大，且波谷处最大，波峰处最小;而管周150180压应变逐渐减小，从大到小依然是波谷、波侧、波峰;管周45120波动变化。波峰和波侧在管周120出现最大应变值，波谷在管周90出现
14、最大应变值。 当填土至管顶上112 m时，荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图20所示。 图20 填土至管顶上112 m管周切向应变随角度的变化 从图20可以看出，波峰、波谷、波侧整体上都为压应变。管顶0管周45压应变逐渐增大，且由大到小依次为波谷、波侧、波峰;而管周150180压应变逐渐减小，大小顺序依然是波谷、波侧、波峰。波峰和波侧在管周120出现最大应变值，波谷在管周90出现最大应变值。波峰、波谷、波侧均在管周60120波动幅度较大，说明随着填土高度的增加，钢波纹管受力已经不仅仅是最初以车辆荷载为主的受力，而是填土的自重和车辆荷载共同作用。 当填土至管顶上2065 m时，荷载作用下路中
15、管周切向应变变化规律如图21所示。 图21 填土至管顶上2065 m管周切向应变随角度的变化 对比图21和图19可看出，两者的波峰、波谷、波侧变化规律相似，仅数值大小不同，故不重述。 对图1821进行对比分析，可以看出:在车辆荷载作用下，填土至管顶上05 m应变的变化规律不明显，填土至管顶上 6、112、2065 m 应变曲线变化规律相似，仅数值上逐渐增大。这说明钢波纹管的主要受力从车辆荷载变化为车辆荷载与填土自重共同作用，最后变为只有填土自重。 除填土至管顶上0.5 m时的波峰外，其他波峰、波谷、波侧整体上都为压应变。管顶0管周45压应变逐渐增大，从大到小依次为波谷、波侧、波峰;而管周150
16、180压应变逐渐减小，且大小关系依然是波谷、波侧、波峰;管周60120压应变波动变化。 车辆荷载下，不同填土高度的波峰应变变化幅度均大于波谷和波侧，且波谷和波侧变化曲线有一定对称性。波峰和波侧都在管周120出现最大应变值，波谷在管周90出现最大应变值。 5 结语 本文采用有限元对荷载作用下大孔径钢波纹管涵洞的受力特征进行了详细分析，主要得到以下结论。 (1)当钢波纹管涵洞填土到一定高度时，公路I级荷载作用下管周应变变化规律为:波峰、波谷、波侧整体上都为压应变;管顶0管周45压应变都逐渐增大，由大到小依次为波谷、波侧、波峰;而管周150180压应变逐渐减小，且大小关系依然是波谷、波侧、波峰;管周
17、45120压应变波动变化。 (2)填土至管顶上0.5 m到管顶上2065 m，钢波纹管主要受力经历了车辆荷载、车辆荷载与土重量共同作用、填土自重的变化过程。管周90、120施工时应作为重点位置进行观测。 (3)目前，国内对高填方路基大孔径(直径大于4 m)钢波纹管涵洞在公路工程中的应用还较少，关于其受力变形研究更少，本研究对同类钢波纹管涵洞应用有一定参考价值。 本文对静态荷载下钢波纹管涵洞的受力特征进行了详细分析，但未考虑动态荷载的作用，在进一步研究中，应增加对动态荷载下钢波纹管涵洞受力情况的研究。 参考文献: 1 陈昌伟波形钢板结构及其在公路工程中的应用J公路，2000(7):48-54 2
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21、 of High Embankment DENG Yu-xun1，YANG Bo2，LIANG Yang-hui3，HU Bin3(1Jiujiang Highway Administration，Jiujiang 332001，Jiangxi，China;2Tunnel Engineering Company of CCCC Second Highway Engineering Co，Ltd，Xian 710071，Shaanxi，China;3CCCC First Highway Consultants Co，Ltd，Xian 710075，Shaanxi，China) Abstract:
22、By comparing the results of strain values of different sections of the corrugated steel pipe culvert obtained by finite element calculation and field test，the finite element model was applied to carry out the analysis of deformation of the corrugated culvert under -level load with different depths o
23、f fillThe results show that the compressive strain at 045of the circumference gradually increases，while the compressive strain at 150180of the circumference gradually decreases，and the value at 45120of the circumference fluctuates;both the maximum strain values of the crest and the wave side appear
24、at 120of the circumference，while that of the trough appears at 90of the circumference;spots at 90and 120of the circumference are key locations to observe Key words:high embankment;large diameter;corrugated steel pipe culvert;finite element analysis 中图分类号:U4495 文献标志码：B 文章编号:1000-033X(2017)09-0070-06
25、0 引 言 钢波纹管结构最早诞生于英国，后美国、日本、韩国对其进行了可行性研究，目前已经得到广泛应用，并制定了相关的标准、规范。中国于20世纪90年代引进钢波纹管，1997年首次在青藏高速进行了应用。李祝龙等对青藏高速冻土区钢波纹管进行研究，结果表明钢波纹管涵洞施工过程对地基扰动小且不渗水，有利于保持多年冻土地区的水热平衡，达到保护冻土、整治青藏公路涵洞工程病害的目的，可有力解决多年冻土地区涵洞工程病害，提高涵洞工程在多年冻土地区的使用寿命1-2。李长江等对季冻区钢波纹管涵洞的施工进行了分析，解决了钢波纹管涵洞在东北季冻区的应用难题，并总结形成季冻区浅埋地基钢波纹管涵洞施工技术3。张红宇等对施工过程中钢波纹管涵洞的受力特征进行了研究，并对钢波纹管涵洞与普通混凝土涵洞的造价、施工工期等进行对比分析，证实了其优异的经济效益和社会效益4。李晓勇等通过车辆荷载的作用，得出了低路堤钢波纹管涵的应变变化规律。 收稿日期:2017-02-21 作者简介:邓玉训(1976-)，男，江西瑞昌人，高级工程师，研究方向为公路工程管理与养护。 责任编辑:高 甜
