钢波纹管涵洞变形处治方案

钢波纹管涵洞变形处治方案王艳波【摘要】根据原有填高情况,计算受力荷载，对内套钢波纹管涵进行强度校核，在确定内套钢波纹管涵强度满足要求时，制定施工方案，对原变形严重的钢波纹管涵进行加固.【期刊名称】《山西交通科技》【年(卷)，期】2015(000)006【总页数】3页(P89-91)【关键词】钢波纹管涵洞;强度校核;变形严重;加固【作者】王艳波【作者单位】山西省交通科学研究院,山西太原030006【正文语种】中文【中图分类】U449.83作为一种较为新颖的结构型式，钢波纹管涵在我国最早应用于1997年青藏公路的抢修工程中，由于其具有施工周期短、重量轻、耐久性好、造价低等优点，正越来越被行业所认可，并且相关的设计和施工规范也正在积极的制定当中［1］。与其他结构型式不同的是，钢波纹管涵是一种柔性结构物，在涵洞顶部填土施工完成之后，其结构的变形特性明显不同于刚性结构物。在柔性结构中，由于材料特性，使得钢波纹管涵洞结构具有一定的适应变形的能力［2］。钢波纹管涵管节通过高强螺栓连接，如果管节的变形过大，首先会影响到涵内的净空，压缩过水或通行面积，其次过大的变形产生的剪力会剪断高强螺栓，或沿着最不利的方向撕裂高强钢板，导致结构的崩溃。1研究背景某高速公路通车运营后，发现一处路面有局部轻微沉陷现象，且偶见裂缝。经详细排查，发现该处高填土钢波纹管涵洞局部变形严重，经实测，涵顶最大变形量已超过40cm，其变形已远远超出自身允许变形范围，涵顶高强螺栓连接处波纹钢板出现明显裂缝，如图1、图2所示。钢波纹管涵参数：孔径3m；前右角130°;设计涵长162.46m；钢板厚度t=6.5mm;波形200mmx55mm;中心填土高度约为27m;材质Q235。如不采取处治措施，涵洞变形进一步加大，结构将会有垮塌的危险。经研究，决定对钢波纹管涵洞加固，加固方案就是在原1-3m钢波纹管涵洞中内套1-2.2m钢波纹管涵。通过勾取汇水面积及径流公式测算，1-2.2m钢波纹管涵能够满足设计流量要求，1-2.2m钢波纹管涵参数：钢板厚度t=6.0mm;波形150mmx50mm;材质Q235。图1涵顶填土情况图2涵洞变形情况2结构强度校核2.1计算荷载的确立设计荷载主要考虑管顶以上土体的静载和行车动载的综合作用，静载用DL表示，动载用LL表示，总荷载用Pv表示。a） 土体静载DLDL=3H=20kN/m3x27m=540kN/m2;b） 行车动载LLLL=2.63kN/m2.对于填土高度H大于等于管直径D的情况，总荷载对波纹钢管的作用力有所减小，需要对总荷载进行折减，折减后的荷载可以通过总荷载乘以荷载系数K来得到。而压实度和荷载系数之间有着紧密的联系，当填土高度大于或等于涵管的直径时，静载和动载的总荷载与填土压实度的关系可以用荷载系数K来联系。本工程中路基采取95%的压实度，对应的荷载系数取0.75。则：当H>D时，Pv=K(DL+LL)=0.75(540kN/m2+2.63kN/m2)=406.9kN/m2.2.2环向压力的计算为避免管壁在受径向压力下产生变形，管体结构必须有足够的强度。为防止管体产生屈服、弯曲或裂缝，需要根据管壁受到的径向压力确定出管壁的应力，并将其与容许值相比较。管壁应力的容许值一般是由室内破坏性试验获得。波纹钢管所能承受的总压力Pv的选取要考虑波纹钢管的抗变形能力，按实际工程的要求选择合理压实度，以确定波纹钢管的环向设计压力。由于涵洞的受力是轴向对称的，可以采用上半部来分析受力情况。管壁上的推力(称为环向压力)由钢材承担，方向与管壁相切，数值上等于管壁的径向应力乘以管半径。作用于管面的应力Pv和波纹钢管环向压力C之间的关系为：C=PvxD/2=406.9kN/m2x2.2m/2=447.6kN/m.2.3极限应力的计算对于波纹钢管涵洞，当回填土体的压实度达到95%时，最小屈月服应力为230MPa,极限压应力fb与D/r有如下关系：当D/r<294时，管壁区的极限应力为：fb=230；当294<D/r<500时，管壁区的极限应力为：fb=275-0.00058(D/r);当500<D/r时，管壁区的极限应力为：fb=3.4x10(D/r).式中D为波纹管涵的直径；r为波纹管涵的截面回转半径。结合本工程：实际管径D=2.2m;波形参数150mmx50mm;钢板厚度为6.0mm的波纹钢管r=19.65mm，即D/r=4000/19.65=203.56<294，故取fb=230MPa.当取安全系数为2时，极限应力的计算值为：fc=fb/2=230/2MPa=115MPa=1150kg/cm2.2.4强度校核根据设计要求，必须使得设计应力Pc<fc，而环向压力C和设计应力Pc有如下关系，即Pc=C/A=447.6/0.7846=600kg/cm2<1150kg/cm2，故采用波形参数150mmx50mm,管径D=2.2m，钢板厚度t=6.0mm的波纹钢管在27m填土高度和公路-I级荷载作用下能够满足截面强度要求。3加固方案针对本工程出现的问题，处治措施是通过内套钢波纹钢管支撑原涵洞变形部位，两者之间空隙浇筑膨胀水泥。3.1现场安装时的注意事项a） 由于填土较高，产品及安装辅助机器（吊车）不能下放到涵洞口夕卜侧；b） 因管体长度较长，无法一步安装到位，需分节安装；c） 施工危险，其组装要在外面进行组装。3.2具体实施方案3.2.1波纹管的拼装在拼装前，先检查每片波纹钢板的规格和外观质量，不符合设计要求的不得使用，确认无误后开始拼装。分片拼装波纹钢管是通过逐片、逐段的方式完成拼装的，先拼装底板，以此为基准向两端延伸，直至达到所需要的长度。周向拼接也是第一块底板为基准从下往上顺次拼装，相邻节段的周向搭接缝必须错位布置，严禁搭接处有4层或4层以上的重叠。分片拼装的波纹钢管在逐片重叠搭接后，每片上可在间隔位置先预收紧5~6处螺栓螺母，以方便后续各片位置、角度的调整。待整段涵管拼接完成并调整姿态后，再均匀收紧所有的螺栓螺母。所有的螺栓拼接时扭转力矩应达到200-400N-m，并不超过螺栓需用力矩。每节拼装成型后要检查截面形状，达不到标准应及时调整，每安装6m进行一次管节的圆度和直线度校正。如出现偏位或变形，采用千斤顶、定位拉杆或其他有效方式进行纠偏或调整。3.2.2波纹钢管的拖移将波纹钢管的前端用液压机承载，中后段用吊车吊起，使波纹钢管成水平状，随着液压车的缓速前行，吊车也随之保持同速前进，将波纹钢管缓慢送入涵洞内。随着波纹钢管逐渐进入涵洞，当达到一定距离时，吊车的钢丝绳就会变成障碍，这时为了保证波纹钢管能够继续进入涵洞，需在其后端也安放一台液压车，两台液压车保持同速前进，将波纹钢管全部送入到涵洞内指定位置。如果在这过程中，两台液压的动力不足，就在涵洞内安置一固定支点，采用葫芦以人工拉拽的方式辅助波纹钢管到达指定位置或者在涵洞外另一端用大型设备车牵引拉至指定位置。3.2.3混凝土浇筑由于原涵洞内套波纹钢管后，两涵之间形成的作业空间太小，若内套波纹钢管全部装入后再浇筑混凝土，将导致混凝土填充极不密实。因此每安装一段钢管结束后，需对其四周浇筑混凝土，并且应保证在浇筑混凝土过程中波纹钢管不发生左右位移（在浇筑混凝土过程中对内套波纹钢管左右两侧进行固定）。加固完成的钢波纹涵洞如图3所示。图3加固完成的钢波纹管涵洞3.3需要的器具及材料在原涵洞出水口处浇筑4mx4m混凝土地坪，用于内层加固波纹管拼装。在波纹管开始拼装时，围堰封堵原涵进水口，确保原涵内无流水，在原涵涵底浇筑混凝土以方便加固波纹管运输进原涵洞内。加固波纹管分2m一节运进涵内，节与节之间焊接连接，拼装两节即4m后，支设堵头模板并浇筑管间填充混凝土，混凝土采用膨胀混凝土，确保混凝土终凝后充满两管之间的间隙，依次直至加固完成。需要的材料及机具如表1、表2所示。表1材料表序号名称数＞/m3型号规格备注1混凝土418C30膨胀混凝土2脚手架根据现场需要租赁门架式3电焊条J4224细砂表2机具表序号名称数量使用时间备注1吊车1台波纹钢板卸车50T2泵车1台混凝土浇筑时地泵3混凝土罐车2台混凝土浇筑时4发电机1台5电焊机2台6照明灯3具100W7振动棒2台8斗车2辆4结语与传统的钢筋混凝土结构相比，钢波纹管涵洞具有明显的经济效益，但其拼装期间及施工回填之后的较大变形也是无