波纹钢管廊受力变形特性研究

刘 文 平

(兰州军区建筑设计院，甘肃 兰州 730020)

1 概述

随着城市的快速发展，以传统直埋方式敷设的地下管线已经不能满足现代化城市快速发展的需求，综合管廊的建设成为城市发展的必然趋势。传统的地下管廊多采用钢筋混凝土结构，但存在众多的缺陷，如：多管节组合体现场预制及运输不便，管节间不存在强度联结，易受基础沉降影响而破坏等；现浇管廊施工作业时间长，抗地基不均匀沉降能力差，对周围环境影响也比较大。采用波纹钢管廊可以很好地解决这些问题。波纹钢管具有结构强度高，运行寿命长，造价低，抗弯惯性矩大和施工方便等优点，可解决地基变形、地基不均匀沉降等不良工程地质问题，广泛应用于高填方排水涵洞/立交通道、管线穿越等工程。

目前对于波纹钢管的研究已有不少研究成果。顾安全等[1，2]分析了管道开裂的规律，并就是否采取减载措施两种情况，分别提出了土压力的计算公式；冯丽[3]、翁效林等[4]考虑填土与管涵之间的耦合作用，对地下管涵的力学性能进行了分析；粟缤[5]研究了波纹管跨度与管顶变形、应力的关系；骆志红[6]通过对3种不同直径及不同壁厚的钢波纹管涵对应不同的填土高度进行有限元计算，分析了钢波纹管涵及周边土体的等效应力分布规律；钱海涛[7]分析了公路钢波纹管涵洞在土体荷载和车辆荷载作用下的可能的变形与破坏情况，对不同尺寸、波形和壁厚的波纹圆管涵变形及路基沉降进行了研究；乌延玲等[8,9]进行了大量的试验，对波纹钢管涵的受力变形进行了研究，提出了波纹钢管涵的受力、变形计算公式。以上研究，仅限于直径较小的管廊，但是对于大直径波纹钢管廊，未能系统地考虑填土—波纹钢—荷载的耦合作用下的受力变形特性。本文利用有限差分软件Flac3D对填土完成后波纹钢管廊的受力与变形进行了数值模拟，对波峰、波谷处的受力变形开展研究，揭示波纹钢管廊受力变形特性。

2 工程概况及有限元模型

地下管廊为双线波纹钢管通道结构，两管廊中心间距7 m，管廊直径4 m，管顶上覆填土厚度7 m。波纹钢管廊外设防水及镀锌层，底部为回填密实土层。开挖后分层回填密实，压实度95%。夯实后每层厚100 mm～200 mm，回填土为中粗砂、碎石屑及最大粒径小于40 mm的级配砺砂。

设水平方向为x方向，波纹钢管廊轴线方向为y方向，竖直方向为z方向，竖直向上为正。波纹钢管廊及回填土均采用弹塑性模型，对波纹钢管廊采用Von Mises准则，对回填土及地基土选用理想弹塑性Mohr-Coulomb屈服准则进行分析。填土为粉质黏土，物理力学参数为重度17.8 N/m3,弹性模量15.2 MPa,泊松比0.3，粘聚力15 kPa，内摩擦角23.4°。波纹钢管廊的强度参数为抗拉强度4 MPa，弹性模量200 GPa，法向耦合刚度800 MN/m3，剪切耦合刚度800 MN/m3，泊松比0.25，内聚力4 kPa，残余内聚力2 kPa，内摩擦角20°。波纹管波长40 mm，波高30 mm。波纹钢管廊作为衬砌结构，壁厚10 mm，直径4 m，位于模型中央，圆心距模型四边均为11 m，即波纹管上方填土为9 m厚，管长(y方向延伸)为4 m，未开挖前的模型示意图见图1。模拟过程分为两步：第一步是求得模型的初始地应力场，计算至平衡；第二步是开挖和衬砌，在开挖后不进行平衡，而在衬砌施加以后计算至最终平衡。

3 计算结果分析

波纹钢管廊施工中，管廊的变形是最受关注的控制指标之一，故分别选取管廊的总应变和断面处波峰、波谷应变来进行管廊的变形分析。从图2可见：相较于波谷，波纹管波峰处产生的应变较大，应变增量峰值达到了6.96×10-3。对比波峰、波谷处的总应变增量数据，可见：波峰是波谷处应变增量的2倍～4倍，且沿着波纹钢管廊轴线方向，交替规律分布。从图3可见：波峰、波谷处总应变增量的最大值均在管廊的两肩，拱脚应变增量值最小，波峰和波谷总应变的分布规律相同，且与波纹钢管廊整体应变规律一致，波峰的总应变量值大于波谷。

从图4可以看出：波纹管两侧在周围填土荷载作用下，产生了径向收缩，单侧波峰、波谷处位移量相等，可见分布规律与波纹无关。从图5中可见：由于管道开挖引起土体回弹，造成波纹管底部的位移是向上的。同时，由于波纹管的刚度较大和侧向土体的挤压，造成波纹管顶部的位移也是向上的，但数值较小；波纹管的z方向位移分布与波纹也无明显关系。

从图6,图7中可见：土体对波纹管的法向作用力是比较均匀的。切向力在波纹管顶部和底部较大，两侧较小，顶部切向力峰值约是两侧的1倍～2倍；顶部和底部波纹管波谷处受剪较弱，波峰处受剪较强，两侧规律与之相反。

从图8可以看出：在顶部和底部，波纹管波峰处在x方向上受拉，拉压应力峰值绝对值相同；左右两侧在波峰处x方向主要受压，小部分受拉。这是因为左右两侧中间位置的x方向压力最大，使波峰处受压明显，带动相应的顶部和底部波峰处成为受拉区。从图9可见：波纹管顶部和底部沿y轴方向，基本以受拉为主；左右两侧波谷处受拉，波峰处受压，且拉压应力峰值水平相同，沿波纹钢管廊轴线均匀分布。

从图10中可以看出：结构单元不论是正弯矩还是负弯矩，都出现在波纹管的两侧。且波峰处出现正弯矩，波谷的顶部为较小的正弯矩，中部出现负弯矩，波峰、波谷处弯矩绝对值相差不大，而且数值也较小。从图11可见：波纹钢管廊在x轴上产生的弯矩与结构单元最大弯矩具有相同的分布规律，该弯矩主要是由两侧土体的水平向压力产生的。

4 结论

1)在波纹钢管廊与周围填土的相互作用下，波纹钢管廊的波峰、波谷处均产生了较大应变，波峰和波谷处总应变的分布规律相同，但波峰处的应变增量更加明显，在施工中，应把波峰处的应变量作为控制指标。2)波纹钢管廊在土压力作用下，产生了径向收缩和向上的竖向位移，竖向位移约为径向的2倍，且数值都较小，与波纹分布无关。3)钢波纹管在填土荷载作用下，波纹钢管的结构性得到充分发挥，波峰、波谷受力协调，使得波纹钢管廊整体受力较为均匀，共同承担填土荷载作用。