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高填方大直径钢波纹定资产管涵加固力学特性

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浏览:- 发布日期:2018-02-01 10:05:59【

第3 7卷第9 期 2 0 1 6 年9 月 东北大学学报( 自然科学版) Journal of Northeastern University( Natural Science) Vol. 37 ,No. 9 Sep. 2 0 1 6 doi: 10. 3969/j.issn. 1005 -3026. 2016.09.025 高填方大直径钢波纹管涵加固洞力学特性 褚夫蛟S 曾水生2, 方文富2, 王培森2 ( 1 . 中南大学资源与安全工程学院,湖南长沙410083; 2 . 中交一公局第二工程有限公司,江苏苏州215101) 摘 要:为研宄高填方大直径钢波纹管涵加固的力学特性,选取萍洪高速A K 0 . 4 8 5 处钢波纹管涵加固洞作为研宄 对象,通过现场测试以及数值模拟提取管体上部不同填土高度情况下管体的应变、土压力以及管体的横向和 竖向变形.通过对数据进行处理分析得出测试数值与模拟数值变化趋势基本一致,管中环向应变以及管顶轴 向应变分别大于其他部位的应变.管顶土压力较小,管体下45?位置的土压力较大,主要是由于大直径钢波纹 管的柔性以及混凝土支撑的限制作用导致.而对于无混凝土支撑情况下的数值模拟显示,无混凝土支撑可减 小应力集中现象以及大部分测点位置的土压力. 关键词:大直径钢波纹管;高填方;力学特性;混凝土支撑;土压力 中图分类号:U 449. 8 3 + 1


文献标志码:A 文章编号:1005 -3026(2016)09 -1338 -05 Mechanical Properties of Large-Sized Corrugated Steel Pipe Culvert Under High Embankment Filled CHU Fu-jiao1,ZENG Shui-sheng2, FANG Wen-fu1, WANG Pei-sen2 (1. School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083, China; 2. No. 2 Engineering Co. , Ltd. of CCCC First Highway Engineering C o .,Ltd.,Suzhou 215101,China. Corresponding author: CHU Fu-jiao, E-mail: zzchufj@sina.com) Abstract: In order to study the mechanical properties of large-sized corrugated steel pipe under high filling, the corrugated steel pipe culvert in A K 0 . 4 8 5 of Pinghong highway was selected as research object. The strain, soil pressure, and horizontal and vertical deformation of the pipe were extracted under the condition of different filling heights from field tests and numerical simulation. By data processing and analyzing, test value and numerical simulation have the same change tendency, and the circumferential strain in middle part and axial strain in top part are greater than other parts of the pipe. Soil pressure at the top part is lower and at the bottom 4 5 0 part is higher, which is caused by the flexibility of large-sized corrugated steel pipe and restriction of concrete supporting. Simulations show that the stress concentration and soil pressure in every part of the pipe can be decreased under the condition of no concrete supporting. Ke y words: large-sized corrugated steel pipe culvert; high embankment filled; mechanical properties; concrete supporting; soil pressure


随着我国公路建设的日益增加,公路路基中 涵洞结构物所占的比重越来越大,涵洞工程采用 的形式大多为钢筋混凝土涵洞和圬工砌体涵 洞[1],其设计和施工工艺已基本成熟,但在工程 应用中所出现的缺点也比较明显,主要在于设计 施工要求高、工期较长、涵体易破坏、出现跳车等 现象. 钢波纹管加固替代传统涵洞结构的应用很好地 解决了上述涵洞施工以及后期所呈现的缺陷. 它 具有施工简单、快捷,结构稳定,有利环保等优点. 自1 8 9 6 年美国首次将波纹板应用于涵洞施工,至 第二次世界大战波纹板应用的迅速发展,各国众 多学者对其进行了研究. 国内对波纹管的研究起 步较晚,2 0 世纪9 0 年代才逐渐出现了钢波纹管涵加固 的应用及研究[2-3]. 自此国内各学者对钢波纹管加固 收稿日期:2015 -0 5 -0 4 基金项目: 国家自然科学基金青年基金资助项目(5 1 4 0 4 3 0 3 );湖南省自然科学基金资助项目(06JJ3030) ; 中南大学前沿研宄计划 项目(2010QZZD001). 作者简介:褚夫蛟(1988 - ) 男,山东枣庄人,中南大学博士研宄生. 第9 期褚夫蛟等:高填方大直径钢波纹管涵洞力学特性1339 图1 所示. 10.54 S i Fig. 1 ^-A ;-C 73.00 图1 试验涵洞纵截面图(m ) Longitudinal section of the test culvert ( m ) 2 . 2 元器件布设 现场将对钢波纹管加固的特征断面进行环向和轴 向的应变测试,管周的土压力测试,以及钢波纹管 的变形观测,测点布置如图2 所示.其中,采用的 金码高科生产的JMZX - 2 1 2 A 型应变计环向布 设在测试点1 ~ 5 处,轴向布设在测试点1 ,3,5 处.采用的JMZX -5010A 型土压力盒布设在测 试点1 ~ 5 处,为避免波峰与波谷间填土的差异, 将土压力盒埋设在距离波纹管壁5 ~10 c m 处,土 压力盒和波纹管间采用细土填实.采用数显收敛 计记录管体横向和竖向的变形数值,收敛计挂钩 焊接在测点1,3,5以及与测点3 对应位置处.实 测时,管体周围每填埋一个土压力盒以及管体上 方填土每填2 m 则进行一次数据采集. 图2 元器件布设位置示意图 Fig. 2 Diagram of the components location 3 模拟模型建立 为验证试验所得数据是否符合理论规律,根 据现场实际情况及施工图纸,采用有限元分析软 件midas ;< - [12]建立如图3 所示数值模型,模型 宽24 m,长74 m,高39 m.其中钢波纹管加固模型如图 4 所示,为计算简便,仅在测试段建立波纹管模型 (路基中间部位为A 断面,路肩部位为B 断面,护 坡道部位为C 断面)其他位置等效成圆管,波纹 波长15 cm,波高5 cm,每个测试段取5 个波纹. 的受力特性、疲劳寿命、力学性能、土压力等方面 有了更全面更深入的研究[4]. 由于钢波纹管加固中波纹的存在,相比平滑圆管, 其拥有更好的强度,但钢波纹管的力学性质就变 得更加复杂.Liu等[5]根据钢波纹管加固的不同参数, 采用ansys软件进行模拟比较,提出了柔性和刚 性钢波纹管的分类. K a n g 等[6-7]分别对沟槽式、 路堤式中柔性和刚性钢波纹管的土压力进行了研 究.Y e a u 等[8]、Sezenl等[9]对钢波纹管涵洞进行 了现场试验,研究了钢波纹管涵洞在静态和动态 荷载下的挠度变化情况. 李祝龙[3]、冯忠居等[10]、 乌延玲[4]从现场测试、室内试验以及数值模拟着 手分析了钢波纹管的应力应变特性. 王艳丽等[11] 从旋转对称壳基本理论着手,研究了钢波纹管加固的 大应变与小应变问题. 目前对钢波纹管涵洞的研究大部分集中在小 管径低填方的情况下,且填土均匀,不能完全反应 钢波纹管在现实应用中的具体特性. 本文结合具 体工程,通过现场测试以及数值模拟进行对比,对 高填方大直径钢波纹管涵洞进行力学分析,为钢 波纹管涵洞的应用提供借鉴.


1 工程概况 江西省萍洪高速公路,位于江西省萍乡市境 内,由于工期十分紧迫,为了加快施工进度,节约 工期,加快路基填筑施工工作面,萍洪高速公路项 目部经过变更,将A K 0 + 4 8 0 处箱涵通道、A K 0 + 5 1 0 处拱涵、A K 0 + 7 6 0 处赤土坡小桥(2 m x 9 m 钢架桥)及K 14 + 8 8 0 处盖板涵变更为钢波纹管加固 涵洞. 参考《湖南龙山至永顺高速公路钢波纹管 设计》图纸,以及《萍乡至洪口界高速公路钢波纹 管设计》图纸,设计采用2 3 4 5 热轧钢板制作的波 纹板材,以及工厂预制一预拼装一现场安装的施 工方法. 分片拼装管的紧固件采用国标中的标准 紧固件,其握度和规格应满足力学要求,且不低于 管材强度要求. 2 试验设计 2 . 1 测试管涵选取 试验钢波纹管涵洞位于长平互通A K 0 + 4 8 5 处,管体直径6 m ,长度为73 m ,上覆填土高度 18 m ,路面宽度10.54 m ,选取A - A 断面(路基 中心线)B - B 断面(路基边线)以及C - C 断面 ( 第一级8 m 护坡道中心位置)作为测试断面,如 1340 东北大学学报(自然科学版) 第3 7 卷 图3 钢波纹管路基整体模型 Fig. 3 Whole model of corrugated steel pipe subgrade 岩土体采用通用的莫尔- 库仑模型,钢波纹管以 及混凝土采用弹性模型. 参考相关报告以及实验 室所得的试验数据,各土层及钢波纹管加固力学参数 的选取如表i 所示. 根据实测时数据采集的工况, 钢波纹管台背回填分4 阶段进行,每阶段按波纹 管4 5 ° 圆弧高度填土,当台背回填结束后,管顶以 2 m 高度为一阶段进行填土,共填24 #. 图4 钢波纹管模型 Fig. 4 Model of corrugated steel pipe 表1 模型参数 Table 1 Model parameters 基材弹性模量/MPa 泊松比容重/ ( k N *m -3) 黏聚力/kPa 摩擦角/ °) 钢板2. 1 1 * +05 0. 31 78.00 — — 混凝土2. 4 0 * +04 0. 22 27. 02 — — 碎石土13. 00 0. 29 19. 05 9. 00 30. 88 强风化泥岩9. 6 0 * +03 0. 25 20. 52 15. 20 36. 05 山渣土23. 00 0. 30 21. 15 10. 10 31.14 路面5. 00 0. 32 15.00 8. 45 31. 03 4


涵洞力学特性分析 通过现场测试以及对模型的模拟计算,提取 管体变形、管壁应变以及土压力值. 现场测试每填 土不超过2 m 提取一次,数值模拟每填土 2 m 进 行一次加载. 分别提取管体上部填土后管体相应 数据,采用数学计算软件Mathematica[13]对数据 进行差值,如表2 所示. 圆环左半边为现场测试数 据,右半边为数值模拟数据. 对于应变,虚线环外 受拉为正值,环内数据受压为负值. 从表2 中可以看出管体环向应变以管中应变 最为突出,而轴向应变则是在管顶较大,现场测试 比数值模拟数值大,对于现场测试数据,管顶应变 呈先受压后受拉的趋势,这与管侧填土对管体的 侧向挤压有关. 管顶轴向应变随着填土高度的增 加呈持续拉应变状态. 数值模拟数据基本保持同 一受力状态,其趋势和实测值一致;对于管体上方 4 5 ° 位置,整体呈受压状态,仅A 断面的实测结果 和B 断面的数值模拟结果呈先拉后压的状态,其 轴向应变整体呈拉应变状态;管中位置的环向整 体呈压应变状态,与管体发生变形的趋势一致,其 轴向整体呈拉应变状态,说明管体在轴向给环向 应变提供补偿空间;管体下方4 5 °位置的环向仅B 断面实测值呈拉应变状态且随填土高度增加而持 续增加,其他则呈压应变状态; 管底位置数值模拟 的环向呈压应变状态,轴向呈拉应变状态,此状态 与管体变形趋势一致,且环向与轴向在变形上相 互提供补偿空间,而现场测试则无明显规律,这主 要是由于混凝土的限制作用引起的. 管体土压力的实测值与数值计算结果基本一 致. 整体都随着覆土厚度增加呈增长趋势. 而土压 力最大值位于管体下方4 5 °位置,其次为管底、管 体中部、管顶、管体上方4 5 ° 位置. 这与前人研究 结果所述的管顶压力最大[10]不符,主要是由于前 人所述钢波纹管主要为小管径,管体基本呈刚性 且无下部支撑,而本文所述大管径波纹管的柔性 管性质能较好地与地基础进行协同作用,而下部 的混凝土楔形支撑更使得最大土压力向管体下部 移动,导致了混凝土部位的应力集中. 通过对管体横向和竖向的变形监测,


在填土 完成后A ,B ,C 三个断面的实测横向变形值分别 为1 3 9 . 4 6 , 137. 5 8 , 115. 46 m m ,竖向变形值分别 为103. 5 8 , 97. 3 8 , 79. 63 m m ;而模拟计算的横向 变形值分别为125. 4 2 , 120. 9 8 , 86. 24 m m ,竖向变 形值分别为87. 1 3 , 83. 78, 60. 46 m m . 实测值与 第9 期褚夫蛟等:高填方大直径钢波纹管涵洞力学特性1341 ■有混凝土 ■无混凝土 A 断面 B断面 C断面 图6 土压力对比 Fig. 6 Comparison among soil pressures 从图5 可以看出,由于无混凝土支撑的限制 作用,管顶位移以及管体竖向收敛值明显增大.混 凝土密度比土体大,在无混凝土支撑的情况下,管 体下方地基所受的竖向压力减小,从而导致管体 整体下沉量小,因此在无混凝土支撑的情况下,管 底位移相对较小. 由于本项目钢波纹管加固底部采用混凝土支撑结 构,容易出现应力集中现象. 为验证由混凝土支撑 导致的应力集中现象,另外再模拟管底无混凝土 支撑结构作为对比. 对模拟结果,


选择性地提取填 土完成后管体竖向位移收敛结果以及管围土压力 进行对比,结果如图5 , 图6 所示. 图5 竖向位移收敛对比 Fig. 5 Comparison among vertical convergences 模拟计算值数值相近,趋势一致. 最大值位于A 的不同上部结构形式导致. 断面,其次为B 断面和C 断面,主要是由各断面 表! 钢波纹管应变及土压力变化曲线 Table 2 The strain and soil pressure change curves of corrugated steel pipe 变量應面B断面C断面 环向应变 812 900 3400 11812 9〇〇lTjGf5f57:89101lT2 轴向应变 100' 1001 土压力/kPa 1000 710 0 0. 0. 1342 东北大学学报(自然科学版) 第3 7 卷 从图6 可以看出,在有混凝土支撑的情况下, 管体下方4 5 ° 位置应力集中现象明显. 在无混凝 土支撑的情况下,管体下方4 5 ° 位置无应力集中 现象. 管体围压呈整体减小趋势,仅在管体上方 4 5 °位置的环向压力有略微增大现象,这是由于柔 性钢管可在无混凝土支撑的情况下能更好与地基 产生协同作用,其变形能够减小管体周围的局部 应力集中. 由此可见,混凝土支撑容易导致钢波纹 管的应力集中现象. 5 结 论 1 ) 根据现场实际情况,建立了钢波纹管涵洞 段整体数值模型. 对比现场实测数据与数值模拟 结果可以看出,实测值与模拟值变化趋势基本一 致. 2 ) 管中位置的环向应变以及管顶的轴向应 变分别大于其他部位的相应应变. 而在管体下方 4 5 ° 以及管底位置,由于受到混凝土支撑的限制作 用,其变形则无明显规律. 3 ) 位于管体下方4 5 ° 位置的管体土压力最 大,说明了混凝土支撑的限制作用容易导致应力 集中. 管顶大小和前人所研究的管顶土压力最大 的结论不符,主要是由于大管径钢波纹管涵洞的 柔性作用以及混凝土支撑的作用导致. 4 ) 填土完成后,管体横向变形以及竖向变形 的测试值与模拟值基本一致,最大值位于A 断 面,其次为B 断面和C 断面,主要是由各断面的 不同上部结构形式导致. 5 ) 混凝土支撑容易导致应力集中,在无混凝 土支撑条件下,钢波纹管少了相应方向的约束,其 竖向变形以及横向变形均增大. 各部位土压力有 不同程度的变化,以管体下方4 5 ° 位置最为突出, 大部分位置土压力呈减小趋势,仅在上4 5 ° 位置 有略微增加.


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