波纹管应用于公路工程计算模型及具体结果分析

一、工程概况

本文选取某高速公路工程项目多孔钢波纹管涵的施工安装，进行空间有限元仿真分析，探讨施工过程中的控制要点。拟应用的涵洞为2孔直径为6.5m的钢波纹管，壁厚为4.5mm，波距为400mm，波高为150mm，波峰和波谷半径为90mm，钢材采用Q345。
二、建立计算模型
钢波纹管简化为板单元，涵洞外围土体采用六面体8节点三维实体单元，土体通过共用节点的形式与钢波纹管连接。为使计算更符合实际情况，波纹管周围采用不同的土体；考虑到实际施工，对波纹管周围砂土材料特性进行折减，结构中材料分别及计算模型如图1所示。
三、计算结果
（1）恒载作用当涵洞顶周围土均为砂土时，在填土恒载作用下，分别取土体弹性模量为20MPa、30MPa、40MPa和50MPa，土体重度为20kN/m3，计算钢波纹管的最大变形。当土体弹性模量取不同值时，波纹管变形随之变化；计算表明，随着土体弹性模量的增加，拱顶最大位移呈线性减小趋势。恒载计算还表明，当考虑不良地基、不计管顶填土作用时，结构产生较大的竖向刚体位移，且管涵两侧土体位移大于管涵部分位移，这部分位移是土体自重产生的，与施工阶段分层填筑过程相吻合。（2）活载作用考虑不同土体，不计填土作用；参考《公路桥涵通用设计规范》（JTGD60-2004）中的车辆荷载（总重55t）模拟活载作用，按照规范进行布载，并将车辆后轴车轮作用到管涵顶部，以得到最大变形。在上述车辆荷载作用下结果显示，波纹管最大位移出现在拱顶附近，为12.08mm。波纹管等效应力较小，最大仅为14.0MPa。由图3计算图示，波纹管底部楔形区域变形较大，且该区域土体应力亦较大，可见荷载有较大部分经该区域传递；因此在施工中应对该区域充分进行压实，以便传递荷载更顺畅，减少变形。
四、结论
（1）填土压实度在一定程度上能够反映弹性模量，即压实度越大弹性模量越高，而波纹管的变形随填土弹性模量的增加而减少，故施工时应对填土进行分层填筑压实，达到较高的压实度，以减少变形。（2）在恒载作用下，结构产生较大的刚性位移，且波纹管两侧土体位移大于波纹管的位移；由于该部分位移主要是整体位移，又是施工阶段的恒载产生的，表明施工恒载对钢波纹管的影响很小。（3）考虑不良地基影响，在活载作用下，波纹管最大应力仅为14MPa，最大竖向变形为12.08mm，可见波纹管的变形起主要控制作用。（4）底部楔形区域的土体应力较大，且该区域的波纹管变形较大，因此，在施工中应加强该区域填土施工控制。
结语
钢波纹管桥涵工程的推广应用，不仅可以节约大量建设资金，而且可以缩短工期、实现桥涵小型构件设计和施工的标准化、生产的机械化和工厂化，其意义和影响是深远的。因此，应当引起各级公路主管部门领导的充分重视，积极引进和开发钢波纹管桥涵公路工程设计和施工的先进技术、材料和设备。本文关于多孔钢波纹管涵在施工过程中的应用有限元分析也为同类公路工程实施提供参考。