長安土學(xué)博士學(xué)位論文公暗鋼漣杖營每詞設(shè)計與訖l 技術(shù)研究 摘要 鋼波紋管涵與混凝土涵在結(jié)構(gòu)上有著根本不同的特性。波紋管在結(jié)構(gòu)上具有 橫向補償位移的優(yōu)良特性，可充分發(fā)揮鋼材抗拉性能強、變形性能優(yōu)越的特點， 能夠滿足多年凍土、軟土、膨脹土、濕陷性黃土等因地基不均勻變形引起的涵洞 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的特殊需求，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。 本文從國內(nèi)外鋼波紋管涵洞防腐性能及應(yīng)用情況的詳細(xì)調(diào)查研究著手，結(jié)合 鋼波紋管涵洞試驗工程開展試驗研究和室內(nèi)模擬研究，計算分析不同荷載下，不 同管徑、不同壁厚、不同波形、不同填土高度作用下鋼波紋管涵洞的受力狀況， 發(fā)現(xiàn)了隨波形和位置、管徑等變化而變化的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。結(jié)合試驗工程施工和 觀測研究鋼波紋管涵洞的使用效果，進而確定鋼波紋管涵洞的適用范圍和適用條 件，為我國鋼波紋管涵洞設(shè)計提供了技術(shù)支撐。 本文調(diào)查了相關(guān)行業(yè)建筑結(jié)構(gòu)和地下管道的防腐方法和措施：調(diào)研到美國等 國家公路鋼波紋管涵洞的腐蝕研究和防腐對策；分析了鋼波紋管涵洞在土壤、水 溶液和大氣中的腐蝕機理，提出適用于我國的鋼波紋管涵洞防腐蝕方案。 根據(jù)國內(nèi)鋼波紋管涵洞在公路和鐵路上的施工經(jīng)驗和實踐，分析總結(jié)出適用 于我國鋼波紋管涵洞的旌工工藝，提出了相應(yīng)的施工要求。 關(guān)鍵詞：公路鋼波紋管涵洞設(shè)計施工 長安太學(xué)博士學(xué)位論文公路鋼過致管滔調(diào)設(shè)計與覽i 技術(shù)研究 a b s t r a c t t h ec o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r ti se s s e n t i a l l yd i f i e r e n tf r o mc o n c r e t ec u l v e r to n t h es t r u c t u r e t h e c o r r u g a t e ds t e e lp i p e h a st h ef i n ec h a r a c t e r i s t i co fh o r i z o n t a l c o m p e n s a t i o ni nd i s p l a c e m e n t ，a n du s es t e e lf u l l ya ss t r o n gs t r e t c h i n gr e s i s t a n c ea n d a s c e n d a n td i s t o r t i o n t h es t e e lc o r r u g a t e dp i p ec a nm e e tt h es p e c i a lr e q u i r e m e n to f c u l v e r ts t r u c t u r es t r e s st h a tc a u s e db yu n e v e nd i s t o r t i o no ft h eg r o u n df r o mp e r m a f r o s t a n ds o f ts o i l a n dy e l l o ws o i ie x p a n s i v es o i le t c s oi th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ed e t a i li n f o r m a t i o no ft h ec o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r t s a b o u tt h eu s a g ea n dt h ep e r f o r m a n c ei ni n n e ra n do u t e rc o u n t r y c o m b i n e dw i t l l 山e e x p e r i m e n to ft h ec o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r t so ns p o t t h ew r i t e rc a r r i e so u ti n d o o r s i m u l a t i o n s ，c o m p u t e st h es t r e s sa n ds t r e n g t hs t a t i o no f c o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r bi n d i 虢r e n tl o a d d i f i e r e n tp i p ed i a m e t e r ，d i f f e r e n tw a l lt h i c k n e s s ，d i f f e r e n tw a v ef o r m ， d i 骶r e n tf i l l i n gh e i g h t t h ew r i t e rf i n d st h er u l e sa b o u tt h es t r e s sw h i c hd i f i e r e n tw i t l l d i 彘r e n tw a v ef o l i f ta n dp o s i t i o n ，e t c a c c o r d i n gt ot h ee f f e c to fh es t e e lc o r r u g a t e d p i p ec u l v e r t sa sd o i n ge x p e r i m e n ta n dt h ec o n s t r u c t i o n ，t h ew r i t e rc o n f i r m st h es c o p e o f a p p l i c a t i o na n ds u i t a b l ec o n d i t i o no ft h ec o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r m ，w h i c hc a np a v e o nt h eb a s eo ft h ed e s i g ao f m ec o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r t si no u r c o u n t r y t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ea n t i s e p t i cm e t h o da n dm e a s u r eo ft h er e l e v a n tt r a d e b u i l d i n g s t r u c t u r ea n du n d e r g r o u n d p i p i n g ，c o r r o s i o n r e s e a r c ha n d a n t i s e p t i c c o u n t e r m e a s u r eo fh i g h w a yc o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r t si nt h ec o u n t r ya su s a ，e t c i ta l s oa n a l y s e sc o r r o s i o nm e c h a n i s ma n di n f l u e n c ef a c t o rt h a tc o r r u g a t e ds t e e lp i p e c u l v e r t si nt h es o i l a q u e o u ss o l u t i o na n da t m o s p h e r e ；a n dp r o p o s e st h es c h e m eo f a n t i s e p e s i so fc o r r u p t e ds t e e lp i p ec u l v e r 8s u i t a b l ef o ro u rc o u n t r y a c c o r d i n gt ot h ed o m e s t i cc o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c ea n dp r a c t i c eo nt h eh i g h w a y a n dr a i l w a yo fc o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r t s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec o n s t r u c t i o n c r a f to ft h ec o r r u g a t e ds t e e lp i p ec u l v e r t ss u i t a b l ef o ro u rc o u n t r y ，a n dp u tf o r w a r dt h e c o r r e s p o n d i n gc o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t k e y w o r d s h i g h w a yc o r r u g a t e ds t e e lp i p e c u l v e r t s d e s i g n c o n s t r u c t i o n 長安土學(xué)博士學(xué)位論文公路銅譴誼雹| 占洞值計與施z 絲木研究 第一章研究目的及意義 1 1 課題的提出 眾所周知，鋼具有良好的延性，抗拉、抗壓、抗剪強度均較高，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件斷面 小、自重輕，鋼結(jié)構(gòu)工程往往施工速度快，且可提供大跨度結(jié)構(gòu)。1 9 9 6 年，我國鋼產(chǎn) 量首次突破億噸大關(guān)：1 9 9 8 我國鋼產(chǎn)量已達(dá)l1 4 3 4 萬噸，而且每年增產(chǎn)2 0 0 3 0 0 萬 噸：2 0 0 4 年我國鋼產(chǎn)量達(dá)2 6 億噸。鋼產(chǎn)量的增長為發(fā)展我國建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng) 造了極好的時機。隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高和我國鋼材工業(yè)的發(fā)展，空州鋼結(jié)構(gòu) 越來越得到人們的青睞。鋼波紋管材料是一種典型的空矧鋼結(jié)構(gòu)。 在鍋爐、化工、船舶及壓力容器、水利等行業(yè)中，金屬波紋管多作為膨脹節(jié)使 用，主要依靠波紋管易拉伸、壓縮或彎曲的性能，舉世矚目的長江三峽水利樞紐工程 中引水壓力管道在廠、壩之間設(shè)置的伸縮節(jié)，該伸縮節(jié)內(nèi)的波紋管水封采用薄壁、多 層、加強u 形。 對公路涵洞來說，涵洞的不均勻變形是其破壞的主要型式之一。從材料與結(jié)構(gòu)和 功能的本質(zhì)關(guān)系上分析，采用柔性、高強度的鋼波紋管涵洞，不僅具有適應(yīng)地基與基 礎(chǔ)變形的能力，可以解決因地基、基礎(chǔ)不均勻變形導(dǎo)致的涵洞破壞問題，而且鋼波紋 管涵洞由于軸向波紋的存在可以更大程度上分散荷載的應(yīng)力集中，更好地發(fā)揮鋁結(jié)構(gòu) 的優(yōu)勢：尤其在多年凍土、軟土、膨脹土、濕陷性黃土等不良工程巖土地區(qū)，利用鋼 波紋管結(jié)構(gòu)修筑涵洞更具有優(yōu)勢，也更具有廣闊的應(yīng)用前景。 研究資料表明，公路鋼波紋管涵洞具有以下優(yōu)點： ( 1 ) 跨徑較大時，工程實際造價比同類跨徑的橋涵低； ( 2 ) 自重輕，運輸方便： ( 3 ) 施工簡單，施工工期短，可采用拼裝施工； ( 4 ) 采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、生產(chǎn)，設(shè)計簡單，生產(chǎn)周期短： ( 5 ) 集中工廠化生產(chǎn)不受壞境影響，有利降低成本，控制質(zhì)量； 。 ( 6 ) 拼裝施工、現(xiàn)場安裝方便： ( 7 ) 減少了水泥、塊片石或碎石、砂等的用量，有利于環(huán)保； ( 8 ) 有利于改善軟土、膨脹土、濕陷性黃土、多年凍土等特殊地基結(jié)構(gòu)物處的不 均勻變形問題，提高了公路服務(wù)性能，降低了：i ：后養(yǎng)護成本： ( 9 ) 解決了北方寒冷地區(qū)冰凍對橋涵混凝土結(jié)構(gòu)的破壞問題，具有優(yōu)良的抗疲勞 長安大學(xué)博士學(xué)位論文。駱銅藍(lán)位營涵洞誼計與施工絲木研究 性能： f1 0 ) 對地基擾動小，對基礎(chǔ)要求較低，具有較強的適應(yīng)變形能力。 1 2 國外研究現(xiàn)狀 l7 8 4 年波紋管最早誕生于英國，1 8 9 6 年美國率先進行波紋板通道、涵管的可行性 研究，并首次用于涵洞工程中。1 9 1 3 年英國蘇格蘭愛丁堡近鄰的農(nóng)f f i 灌溉首次應(yīng)用波 紋板涵洞，1 9 2 3 年美國鐵路工程協(xié)會對伊利諾斯州中央鐵路的波紋板通道進行了測 試，1 9 2 9 年加拿大首次將波紋管用于煤礦建設(shè)中，1 9 3 1 年澳大利亞首次建成跨徑8 m 的波紋管( 扳) 汽車通道一座，1 9 9 0 年同本高速公路設(shè)計規(guī)范制定了波紋管設(shè)計 技術(shù)規(guī)范。波紋管在世界各地的安裝使用證明此類結(jié)構(gòu)物具有廣泛的適用性，而且其 壽命已超過了設(shè)計壽命。 在美國、加拿大等國家，公路： 程廣泛應(yīng)用波紋管涵，并制定了設(shè)計、制造及施 工安裝手冊，積累了較為成熟的波紋管涵設(shè)計方法及修建經(jīng)驗，關(guān)于設(shè)計多為較保守的 經(jīng)驗方法。美國鋼鐵研究會a i s i 出版的m o d e r ns e w e rd e s i g n ( 1 9 9 9 年版) j 系統(tǒng)的討 論了鋼波紋管排水管道和涵洞的應(yīng)用、設(shè)計、施工。從國外的研究與應(yīng)用看，國外對 鋼波紋管涵洞的受力研究較少，研究主要側(cè)重在防腐問題上，主要有以下研究及結(jié) 論。 1 2 1加利福尼亞州的研究 關(guān)國加利福尼亞州調(diào)查了數(shù)百道未經(jīng)特殊維養(yǎng)處理的鋼波紋管涵洞的環(huán)境條件和 使用壽命，考慮了鋼波紋管涵洞耐久性與土壤腐蝕、水腐蝕的關(guān)系，并得出了預(yù)估壽 命與剛值和電阻率的方法和如圖l 一1 所示的設(shè)討圖，該圖被美國鋼鐵研究會 ( a i s l ) 作為覘范。 1 2 2 美國鋼鐵學(xué)會的研究 1 9 7 8 年，美國鋼鐵學(xué)會a i s i 針對8 1 個道位于佛羅犟達(dá)州、明尼蘇達(dá)州、達(dá)科塔 南部，猶他、加州、俄亥俄州、印地安那州、北卡羅萊那州、維吉尼亞馬早蘭和堪薩 斯州的鋼波紋m 水管進行了調(diào)查。研究表明，8 1 道雨水管中7 7 道保持良好狀況。陌 水管的使用時問為1 6 6 5 年。四通需要維修的平均使用3 2 年，l 道處于極端腐蝕的環(huán) 境中，電阻率只有2 5 0q c m ，犬幅度低于極小值。 長安太學(xué)博士學(xué)位論文 。駱銅譴彼蓍涵_ 嗣詿計與施i 絲木研究 墨 蘭 g = 暑 墨 口h 、? ，d = 73d h ：? 65 f m c n 4 i m m i3 ：n ? # j5j 一 ， l 嘶”二j 引* ? l i # t 6 ，i # ”i jt ：e ， f j c m l日i1 i 二i - ：3 ： a i g m l n c 1 ￥2 m “，u = ； “ 0 、夕 ， r _ 鶘：3 唪z ， ；彭 ， j ， ， 夕 ， ， ， 幽l 一1 鍍鋅鋼波紋管平均服務(wù)壽命美國鋼鐵掌會幽 1 2 3 美國鋼波紋管協(xié)會美國鋼鐵學(xué)會的研究 1 9 8 6 年，美國鋼波紋管協(xié)會n c s p a 與美國鋼鐵學(xué)會a i s i 合作，調(diào)查研究了2 2j 個 州鋼波紋雨水管和涵洞的使用條件及腐蝕。鋼波紋管采用鍍鋅和涂瀝青處理，使用時 間2 0 7 4 年，土壤電阻率1 3 2 6 7 7 0 0 0q c m ，p h 值5 6 1 0 3 。研究表明在大部份 管中土壤環(huán)境的腐蝕較小，嚴(yán)重的腐蝕主要在管內(nèi)壁，涂裝后的鋼波紋管系列在二些 土和水環(huán)境下可提供1 0 0 年的壽命。 1 2 4 最新的調(diào)查報告 1 9 9 8 年美國紐約州對使用6 - - 1 0 年的鋼波紋管進行調(diào)研，2 0 0 1 年6 月美國鋼波紋 管協(xié)會對2 0 道使用9 1 3 年的涵管進行了鋼波紋管聚合物涂層現(xiàn)場性能測試研究，并 于2 0 0 2 年3 月整理出報告。結(jié)果表明防腐蝕采用鍍鋅+ 聚合物+ 瀝青時，2 0 道涵管除i 道外，其余1 9 道處于良好狀念。聚合物涂層總體上粘結(jié)緊密，表層瀝青僅在端部出現(xiàn) 裂縫，聚合物涂層很少受到損壞，除端部局部涂層剝落外，鋅層基本未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn) 象。 同樣，2 0 0 1 年8 月美國鋼波紋管脅會對w is c o n s i n 州的不同涵管進行了相應(yīng)的調(diào) 查，結(jié)果表明5 道使用聚合物涂層2 7 年仍能保持良好的防腐蝕效果，僅在端部局部出 現(xiàn)剝落現(xiàn)象。 1 2 5 其它研究 2 0 世紀(jì)以來加拿大已經(jīng)丌展了許多研究，其中最早的是1 9 6 7 年l d e r 丌始的研 究。安大略省西南方的鋼波紋管試驗茈實誣當(dāng)?shù)貤l件下用圖1 1 朝硼螂i 務(wù)壽命是合適 的。 1 長安土學(xué)博士學(xué)位論文幺路銅漣譴蓍| 占嗣謚針與旎王檀木研究 9 9 3 年英固哥倫比、董輸部瞼查f ! 1 個俐波紋結(jié)陶板和有鍍鋅保 _ j = l 善i f ；l 內(nèi)墅， 安裝時問超過2 0 年，最早的璉在1 9 3 3 年安裝的。試驗：i 寄3 7 r a m 直徑的管耿懌片，扯試 驗室檢測覆蓋層厚度，同時撿測土壤和水川值和i 電阻率，試驗表明除2 個結(jié)陶外預(yù) 汁服務(wù)壽命超過1 0 0 年。 1 9 8 8 年，亞伯達(dá)省丌展了一個綜合研究，檢測2 0 1 個安裝管的鋅損失，測量土壤 和水的p h 值、電阻率以及管和二e 之問的電位。研究表明：鋼波紋管平均壽命的期望值 為8 1 年，最小5 0 年的壽命可達(dá)到8 3 。 美國鋼鐵研究會研究表明，在大多情況下，鋼波紋管( 雨水管) 的坡度不大時， 基本沒有水流帶來的泥砂沖刷腐蝕問題。然而當(dāng)流速較高時( 大于5 m s ) 腐蝕將變得 較明顯，并有泥砂磨蝕隨之而來。如果砂石在管內(nèi)壁沖洗，磨耗量將增加。 1 3國內(nèi)鋼波紋管涵洞的應(yīng)用 解放前及解放初期我國也曾應(yīng)用過波紋管涵，2 0 世紀(jì)5 0 年代修建青藏公路不凍泉 段時曾將波紋管涵應(yīng)甩于搶修工程，到7 0 年代開挖出時發(fā)現(xiàn)其使用狀況良好。1 9 6 5 年 云南公路局在滇緬公路的大修工程中曾挖掘出一段鋼質(zhì)波紋管的過水涵管，后被證實 為二次大戰(zhàn)時期從美國進口安裝的。1 9 9 8 年9 月在上海浦東高橋地區(qū)挖掘出一段直徑 為1 m 的過水波紋管涵洞，經(jīng)考證為1 9 4 8 年安裝，用于當(dāng)時的軍事便道。建國后由于 諸多因素，波紋管涵未能廣泛得到推廣應(yīng)用，改革丌放后，深圳及大同媒礦均進口成 品波紋管用于涵洞工程：至2 0 世紀(jì)9 0 年代末我國才逐步開展公路鋼波紋管涵洞的應(yīng) 用及研究、塵產(chǎn)。 1 9 9 71 9 9 9 年，中交第一公路勘察設(shè)計研究院在青藏公路多年凍土地區(qū)成功地鋪 筑了3 道金屬波紋管涵洞( 在k 3 2 7 8 + 2 0 0 與k 3 2 8 0 + 9 15 處為2 道整體式、k 3 2 6 3 + 0 9 4 處為1 道拼裝式) 解決了多年凍土地區(qū)因融沉和凍脹而導(dǎo)致涵洞破壞的難題。 大興安嶺加漠公路不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為多年凍土，部分為濕地，為解決大興安嶺 多年凍土地區(qū)涵洞基礎(chǔ)穩(wěn)定性問題，決定采用波紋管涵洞，以適應(yīng)因多年凍二l 退化而 引起的變形和沉降，共修建鋼波紋管涵洞l o o 余道，孔徑中1 0 m ，鍍鋅板厚1 o 2 5 r a m ，波距6 8 r n r n ，波高1 3 m t n 。使用1 年后，對波紋管涵洞進行了全面調(diào)查，除極少 部分因施： 原因、基礎(chǔ)處理不當(dāng)、防水處理不當(dāng)發(fā)生不均勻沉降變形，涵身有積水和 滲水現(xiàn)象外，大部分波紋管涵洞使用狀態(tài)良好，目前尚未發(fā)現(xiàn)因構(gòu)造詠因產(chǎn) 4 - 的損 壞。 圜j 墮2 1 4 線青康公路菱路嶺清水河段，多年凍1 一與融區(qū)相川分前，協(xié)：h 剮雯高 4 長安上學(xué)博士學(xué)位論文幺路桐譴位雹涵洞詛計與施工瞌木研完 屬典型的退化性多年凍二i 二。原有涵洞因凍h l f f t l 融沉反復(fù)怍用或因基埋置過淺導(dǎo)致涵 洞鋪砌破損、翼墻傾覆、涵臺丌裂、洞身裂縫、錯臺等破環(huán)。為克服因凍融導(dǎo)致涵洞 過早的破壞，2 0 0 0 年試用中15 0 c m 的鋼質(zhì)鍍鋅波紋管，取得成功。2 0 0 1 2 0 0 2 年推廣 到西寧久治公路大武至久治段、花石峽至達(dá)同公路、二指哈拉山至尕海等公路建設(shè) 中，至2 0 0 2 年四個公路項目已累計使用4 1 8 道波紋管涵洞8 2 3 1 1 9 m ，直徑從1 5 0 c m 至2 5 0 c m ，涵洞頂填土高度由l o o c m 增加到1 7 0 0 c m ，波紋管壁厚由3 m m 增加到 5 m m 。 1 9 9 8 1 9 9 9 年上海市在上海四號線、浦東國際機場中采用了鋼質(zhì)波紋板通道，板 厚度為2 5 1 2 m m ，呈圓弧形、拱形或橢圓形，可用作公路通道、涵洞等，有利于改善 軟土地基上結(jié)構(gòu)物的沉降不均的問題。國內(nèi)鋼質(zhì)波紋板通道涵洞的應(yīng)用情況見表卜l 。 表卜l 鋼質(zhì)波紋板通道涵洞的應(yīng)朋情況 直徑 頂k =底k 壁厚 時問地點道路名稱 備注 ( m )( m )( m )m i l l f + 海浦東張橋 1 9 9 8 年4 門 4 4 61 01 86 圓形 t 業(yè)區(qū) 1 9 9 8 年6 r ii 海市叫吁線蘋朱公路新開河 403 85 06 網(wǎng)形 1 9 9 8 年1 0 月f ：海浦東固慚i 機場二期_ t 程專用公路 4 01 923 13 05 圖形 2 0 0 0 住i ：海浦東困際機場二期t 程專用公路 403 255 網(wǎng) | ； 2 0 0 1 年1 月i 海浦東國釃；機場二期工程專用公路 35 48 3 205 橢網(wǎng) 2 0 7 固道 2 0 0 1 年4 月荊沙k 江人橋南j l 道 3 5 53 1 5 06 拱彤 湖北段 2 0 0 1 年t 0 門卜j 妊竿奉金高速公路 531 0 07 阿形 3 4 5 2 0 0 2 ，年3 門湖北洪湖市 2 36拱形 6 6 2 0 0 0 年2 門湖北利州市車鋪鎮(zhèn) 3 2 5 0 +86拱彤 件： 為矢l 巧跨竹最中效諾械止節(jié)2 0 0 2 年8j j 。 2 0 0 4 年內(nèi)蒙古、河北等地區(qū)也逐步開始應(yīng)用鋼質(zhì)波紋管涵洞。 1 4國內(nèi)鋼波紋管涵洞的生產(chǎn) 波紋管的制作方法有：機械脹型、液壓成型、滾壓成型、焊接成型和電沉積成型 等。液壓成型可以獲得綜合性能較好的波紋管；滾壓成型可以用來制作大直徑的波紋 管：焊接成型可以獲得彈性較好的波紋管：電沉積成型可以制作小直徑和高精度的波 紋管。 i - li 引斟內(nèi)鋼波紋管涵洞的5 l - ：廠家共5 家，主要有液壓成型、滾壓成型兩大類，至 2 0 0 ：3 年8 j j 國內(nèi)共生產(chǎn)鋼波紋管涵涮約j j ( ) 道。并j 家7 卜j 。r 豈各有i i 同，存縣體 i 長安上學(xué)| 尊士學(xué)位論文z 路餉漣譴謹(jǐn)涵洞促計島施工擅木研宓 l 。藝上同類之間也存在一定的差異，但選用材質(zhì)基本為q 2 3 5 a 或 ： 鋼板，波形除波紋 板外基本為波距為1 4 c l a ，波高7 c m ，個別生產(chǎn)企! 【k 根據(jù)矗徑和加二 ：工藝對波鬲、波臣 適當(dāng)進行了調(diào)整。 1 5 國內(nèi)鋼波紋管涵洞的研究 1 9 9 7 1 9 9 9 年，筆者在青減公路第三期科研： 作中針對波紋管涵洞初步丌展了與 圓管涵的力學(xué)性能進行的對比研究。研究表明：相同圍壓時，波紋管與普通圓管的徑 向最大位移相當(dāng)，但波紋管的軸向位移明顯大于普通圓管，表現(xiàn)出波紋管具有軸向補 償位移的功能；波紋管的內(nèi)部應(yīng)力拉、壓相間，充分發(fā)揮了金屬材料各向同性的優(yōu)良 特性，而普通圓管內(nèi)部拉應(yīng)力較小，壓應(yīng)力較大，故普通圓管一般采用混凝土材料為 主。鋼波紋管涵對地基擾動小，熱阻小，對土層的熱擾動小，不滲水，有利于保持多 年凍土地區(qū)的水熱平衡，保護凍土，從而達(dá)到了青減公路涵洞工程整治的目的。 1 9 9 8 年，上海市政工程設(shè)計研究院和上海公路處在上海新開河針對4 m 直徑的鋼波 紋板通道( 涵洞) 進行了荷載試驗，結(jié)合試驗采用有限元對波紋板結(jié)構(gòu)進行了初步力 學(xué)分析，其研究表明：最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均出現(xiàn)在上半圓兩個4 5 。方向上，最大拉 應(yīng)力在波峰，最大壓應(yīng)力在波谷。 1 6 研究目的與意義 盡管國內(nèi)生產(chǎn)及應(yīng)用了大批量鋼波紋管涵洞，但尚未丌展其受力特征、防腐性能 及沒計方法和施工技術(shù)的系統(tǒng)研究。為加強波紋管涵洞的推廣應(yīng)用，改善我國公路工 程涵洞結(jié)構(gòu)形式，降低造價，需要丌展專題研究以作為設(shè)計、施工的參照。 本文通過對鋼波紋管涵洞應(yīng)用技術(shù)的研究，結(jié)合我國材料及制造業(yè)的發(fā)展水平， 研究單管鋼波紋管涵洞的適用條件和受力特征，研究鋼波紋管涵洞的管材強度及防腐 技術(shù)，同時研究鋼波紋管涵洞的施工工藝，為鋼波紋管涵洞設(shè)計與施工提供依據(jù)及相 關(guān)參考資料，以達(dá)到在公路工程中推廣應(yīng)用鋼波紋管結(jié)構(gòu)、提高鋼波紋管涵洞的設(shè)計 旋工水平和：【= 程質(zhì)量、降低公路1 ：程涵洞造價、提高經(jīng)濟效益的目的，同時為制定公 路工程行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù)。 1 7研究內(nèi)容與技術(shù)路線 1 7 i 主要研究內(nèi)容 本文上要研究內(nèi)奔為： ( i ) t l _ ( | 波紋青y 丙i 嗣的力學(xué)p k 能嘭 j i ： 長安太學(xué)博士學(xué)位論文必路飼藍(lán)砬謹(jǐn)涵洞詛計鳥花王絲木研究 ( 2 ) 鋼波紋管涵洞的腐蝕機理及防腐技術(shù)研究 ( 3 ) 公路鋼波紋管涵洞的沒計和i 施工技術(shù)。 17 2 研究的技術(shù)路線 從國內(nèi)外鋼波紋管涵洞的生產(chǎn)、材質(zhì)、波形、防腐性能及應(yīng)用情況的洋細(xì)調(diào)查研 究著手，結(jié)合試驗工程就鋼波紋管涵洞的力學(xué)特征性能開展系統(tǒng)的試驗研究和室內(nèi)模 擬研究，計算分析不同荷載下，不同管徑、不同壁厚、不同波形的鋼波紋管涵洞的受 力狀況，總結(jié)受力規(guī)律，進而確定鋼波紋管涵洞的適用范圍和條件，并結(jié)合試驗工程 研究鋼波紋管涵洞的施工工藝。 關(guān)于鋼波紋管涵洞的力學(xué)性能分兩部分進行研究，即鋼波紋管涵洞的野外試驗和 鋼波紋管涵洞的室內(nèi)計算模擬。其中野外試驗主要研究施工過程中各種工況下管周土 壓力和管壁內(nèi)側(cè)、外側(cè)切向、軸向應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，采用鋼弦式土壓力計和7 v 0 8 - - s u p e r d a t al o g g e rv 9 0 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行測試；模擬主要在精度分析的基礎(chǔ)上研究鋼波紋 管涵洞在不同波形、不同壁厚、不同荷載、不同填土高度作用下的力學(xué)性能，采用有 限元法對鋼波紋管涵洞的復(fù)雜受力狀態(tài)進行系統(tǒng)分析。 通過調(diào)查相關(guān)行業(yè)建筑結(jié)構(gòu)及埋地管道的腐蝕機理及防腐方法和措施：調(diào)查研究 美國和加拿大公路鋼波紋管涵洞的腐蝕研究和防腐對策：分析鋼結(jié)構(gòu)在土壤、水溶液 和大氣中的腐蝕規(guī)律和影響因素，結(jié)合我國公路中鋼結(jié)構(gòu)的防腐措施，提出適用于我 國的鋼波紋管涵洞防腐蝕推薦方案。 根據(jù)國內(nèi)鋼波紋管涵洞在公路和鐵路上的施工經(jīng)驗和實踐，分析總結(jié)出適用于我 國的鋼波紋管涵洞施工技術(shù)，其中包括施工工藝和技術(shù)要求及施工中的注意事項等關(guān) 鍵技術(shù)。 長安五學(xué)博：i ：學(xué)位論文公路鋼波枝管涵闊設(shè)計與施工技術(shù)研究 第二章錮波紋管涵洞的力學(xué)試驗研究 研究目的：主要研究鋼波紋管涵洞的力學(xué)特征；研究施工過程中填土及荷絨對涵 洞的影響，總結(jié)旋工工藝( 第七章) 。 2 1 試驗涵洞概況 試驗涵洞為青減鐵路格爾木南l “口拉赤臺段d k 8 5 6 + 2 6 2 和d k 8 5 7 + 9 7 3 波紋管 涵，位于格爾木河左岸，地形平坦、開闊。設(shè)計路基頂寬7 1 0 m ，邊坡坡率1 ：i5 。兩 涵洞的地質(zhì)情況均為：圓礫土，灰白色，厚度7 5 m ，顆粒成分主要有砂巖、石英巖， 局部央有0 1 0 3 m 耦砂薄層。涵洞基礎(chǔ)采用換填i o 1 2 m 天然砂礫，最大粒徑不超 過5 0 m m ，小于o 0 7 4 的粉粘粒含量不超過3 ：進出口采用漿砌片石鋪砌，波紋管材 質(zhì)為q , 3 5 a 鋼，內(nèi)外壁采用無機富鋅涂料防腐，厚度不小于1 8 0 u m ，用法蘭軸向相連。 涵底o5 o6 m 范圍內(nèi)壓實度要求達(dá)到9 0 。涵管在進出口制作成與邊坡相同坡率的 斜口。 d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞管頂覆蓋2 3 9 m ，內(nèi)徑12 0 m ，涵長184 8 m ：d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞管 頂覆蓋i3 2 m ，內(nèi)徑10 0 m ，涵長1 4 8 2 m ；兩涵波形：波高7 c m ，波距1 4 c m ，壁厚 4 m m 。 圖2 1 試驗涵洞地質(zhì)睛況 長安大學(xué)博：卜學(xué)位論文公路鋼沒杖管匱洞設(shè)計與施工技術(shù)研究 2 2 力學(xué)試驗方案、方法及測試內(nèi)容 2 ，2 1 試驗方案 采用7 v 0 8 一s u p e rd a t al o g g e rv 9 0 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和鋼弦式土壓力計，通過布 設(shè)應(yīng)變片和土壓力計測定不同旌工荷載下涵管的力學(xué)特征。 2 2 1 1 測點應(yīng)變片總體設(shè)置方案 涵洞設(shè)置三個測區(qū)分別對應(yīng)于路中、路肩和l ，2 邊坡位置處，見測區(qū)示意圖( 圖 2 2 ) ，測區(qū)編號分別為l 、2 、3 。每個測區(qū)設(shè)置9 個測試斷面，分別設(shè)置于波頂、1 2 波面和波谷處內(nèi)側(cè)，詳見斷面示意圖，斷面編號分別為l 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 。 每個斷面設(shè)置1 0 個測點，分別設(shè)置于管頂、上下部1 4 、上下部1 1 8 、上下部3 8 、上 下部1 2 和管底內(nèi)側(cè)，詳見測點示意圖，測點編號分別為1 1 0 ，應(yīng)變片的編號按照測 區(qū)一斷面一測點進行編號。 一 圖2 - 2 波紋管測區(qū)示意圖 圖2 3 波紋管測試斷面示意圖圖2 - 4 波紋管測點示意圖 為采集相關(guān)軸向受力和變形特征，分別在管頂、管中處內(nèi)側(cè)設(shè)置沿軸向應(yīng)變片。為測試管外側(cè) 切向、軸向受力和變形特征，分別在管頂、管中處外側(cè)設(shè)置沿切向、軸向貼置的應(yīng)變片。 22 1 1 1 d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞應(yīng)變片設(shè)置 9 長安大學(xué)博士學(xué)位論文公路鋼漣杖管涵洞設(shè)計與施工技術(shù)唧究 內(nèi)f ! l ! l f 甜變片 d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞測區(qū)1 、2 、3 斷面見圈2 - 5 ，每個測區(qū)共設(shè)置9 個斷面，每個斷 j 葒口 3 7 出嘆 2468 a 測區(qū)ib 測區(qū)2 長小 小弋小仆小7 2 46 8 c 測區(qū)3 幽2 5 d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞測i 71 、2 、3 各斷面 面1 0 個測點( 圖2 4 ) ，內(nèi)側(cè)切向測點共2 7 0 個，采用b e l 2 0 3 a a 型電阻應(yīng)變計。 軸向應(yīng)變片分別貼在測區(qū)i 斷面3 、4 、5 、6 、7 的測點l 和測點5 ，在測點l 位置 編號分別為t - 3 - 一7 一，在測點5 位置分別為1 - 3 7 1 2 ，共1 0 個測點。軸向貼應(yīng)變片采 用b e l 2 0 3 b c 型電阻應(yīng)變計，呈“十”字應(yīng)變花。 2 外側(cè)應(yīng)變片 外側(cè)應(yīng)變片分別貼在測區(qū)1 斷面5 、6 、7 對應(yīng)于測點1 的外側(cè)，設(shè)置切向和軸向 應(yīng)變片，采用b e l 2 0 3 a a 型電阻應(yīng)變計，共6 個測點，編號分別為：切向1 - 5 7 1 3 ， 軸向1 5 7 1 4 。在測區(qū)1 斷面5 、7 對應(yīng)于測點5 位置的外側(cè)，設(shè)置切向和軸向應(yīng)變 片，采用b e l 2 0 3 a a 型電阻應(yīng)變計，共4 個測點，編號分別為：切向1 - 5 1 5 和l 7 一 1 5 ，軸向1 5 - 1 6 和i 一7 - 1 6 。 2 2 112d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞應(yīng)變片設(shè)置 l 內(nèi)側(cè)應(yīng)變片 d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞測區(qū)1 、2 、3 的斷面見圖2 - 6 ，每個測區(qū)共菠置9 個斷面，每個 斷而1 0 個測點，內(nèi)側(cè)切向共2 7 0 個測點，采用b e l 2 0 3 a a 型電阻應(yīng)變計。 軸向應(yīng)變片分別貼在測區(qū)1 斷面3 、4 、5 、7 、9 的測點1 ，在測點1 位置編號分剮 為i3 7 1i ，在測點5 位置分別為l 一3 - 7 1 2 ，共1 0 個測點。軸向貼應(yīng)變片采用b e l 2 0 3 b c 型f 皂f ；【1 應(yīng)變計，= t - e i “r 警應(yīng)變芘。 7 外惻應(yīng)，堅片 汴 似 ，： 銎 長安土學(xué)博士學(xué)位論文公路鋼波杖管涵詞設(shè)計與施工技術(shù)研究 外刪應(yīng)變片分別貼在測區(qū)j 斷麗3 應(yīng)變片，采用b e t 2 0 3 a a 型電阻應(yīng)變 4 、5 對應(yīng)于測點1 的外側(cè)，設(shè)置切向和軸向 共6 個測點，編號分別為：切向1 3 5 一1 3 ， 影搟影一 l 瓜24i 瓜68l 岸 測區(qū)3 幽2 - 6d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞測區(qū)1 、2 、3 各斷面 軸向1 3 5 1 4 。在測區(qū)1 斷面3 、5 對應(yīng)于測點5 位置的外側(cè)，設(shè)置切向和軸向應(yīng)變 片，采用b e l 2 0 3 a a 型電阻應(yīng)變計，共4 個測點，編號分別為：切向1 3 - 1 5 和l 一5 一 1 5 ，軸向1 - 3 1 6 和1 5 一1 6 。 2 2 1 2 壓力計設(shè)置 設(shè)置三個測區(qū)同上，對測區(qū)l 、2 、3 分別在斷面1 和斷面9 位置處，在涵管底 部、下部t 4 處、中部、上部l 4 及涵頂( 分別對應(yīng)測點l 、3 、5 或6 、8 、1 0 ) 位置 外側(cè)設(shè)置壓力計。其中，d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞測區(qū)3 壓力計設(shè)置于1 、3 、5 、6 、1 0 測點位 置。壓力計的表面與管相切，壓力計與管之間及壓力計外側(cè)5 c m 內(nèi)采用細(xì)顆粒土填 充，以避免受力不均勻影響測試結(jié)果。 2 2 2 試驗步驟 2 2 2 1 測試準(zhǔn)備工作 壓力測試前，先在不受力情況下，將壓力計置于涵管位置測試其初讀數(shù)。 在應(yīng)變片測試前的準(zhǔn)備工作主要有以下內(nèi)容： ( 1 ) 準(zhǔn)備應(yīng)變片、膠粘劑及其它輔助材料及相關(guān)工具準(zhǔn)備好應(yīng)變測量的儀器及 測試用線，將測試用線檢查、編號、端頭剝線、涂焊錫： ( 2 ) 現(xiàn)場選點并做標(biāo)志、打磨、刨光、清洗、定點、貼應(yīng)變片和端子、焊接應(yīng)變 片干i 端予、涂漆絕緣、檢查電路、封膠。 ( 3 ) 測試前，將編好號的測試剛線r j 端子焊接好，并1 ；耳次險查電路，將接線的片 長安上學(xué)博士學(xué)位論文公路鋼進位管躡洞詛計與施工技術(shù)研究 系。 端與檢測儀器的接線箱連接并做好接線編號、應(yīng)變片編號與通道號的對應(yīng)關(guān) ( 4 ) 接好溫度補償片，確保溫度補償片與測試元件處于相同溫度條件。 幽2 7 定點厲的打磨 幽2 9 清洗 刨2 車占貼麻變片 幽2 8 砂紙磨平 幽2 一l o 粘貼端子 幽2 1 2 絕緣 長安上學(xué)博士學(xué)位論文公路鋼波仗管涵洞設(shè)計與旄工技術(shù)研完 幽2 一1 3 焊接端子與應(yīng)變片幽2 1 4 焊接電線 圖2 一1 5 檢查接線 圖2 一1 6 接線箱的連接 幽2 一1 7 近接測試儀測試 幽2 1 8 撓度與應(yīng)變測試 2 2 2 2 測試步驟 應(yīng)變測試主要步驟為： ( 1 ) 啟動發(fā)電機，接通儀器電源，啟動儀器，進入主界面 ( 2 ) 初始化，檢查應(yīng)變片的連接情況并確保連接正常； ( 3 ) 測試初始值； ( 4 ) 填土或用汽4 j 、壓路機等加荷； ( 5 ) 測試各荷載i 況下的成變，保存于 | = l j 數(shù)據(jù)。 1 1 長安太學(xué)博士學(xué)位論文 公路鋼波仗管涵澗設(shè)計與施工技術(shù)研究 壓力測試步驟為：壓力盒編寫 一標(biāo)定一一測試?yán)鄶?shù)一一埋胃壓力盒一各： 況測試。 撓度測試主要用水準(zhǔn)儀測量測區(qū)1 管頂波峰在活載作用下的變形。 應(yīng)變及壓j - j 鋇j l 試完成后，將所有外接線放置在事先準(zhǔn)備的鐵箱中予以保護。 2 0 0 1 年1 0 月1 1 月結(jié)合青藏鐵路波紋管涵洞的施工進行了測試，2 0 0 3 年7 月又 進行了補充測試，測試過程中通過填土、壓路機、推土機、汽車、火車機頭等加荷方 式加載。測試的工況如下。 a 、d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞測試過程及工況 工況1 ：在涵管兩側(cè)及頂部填土( 含土砂礫) 至管項以上o3 m 且壓實后的狀態(tài)。 工況2 ：填土至管頂以上0 3 m 且壓實后，沿管軸向?qū)郝窓C光輪( 輪重1 5 噸，寬 2 1 m ) 置于路基中心位置，壓路機的后輪置于進口方向。 工況3 ：填土至管頂以上o3 m 且壓實后，沿管軸向?qū)郝窓C光輪置于路基測區(qū)2 置，壓路機的后輪置于進口方向。卸載壓路機后再次測試應(yīng)變，作為工況3 - 2 。 工況4 ：填土至管頂以上1 8 m 且壓實后，沿管軸向?qū)郝窓C光輪置于路基中心位 置，壓路機的后輪置于進口方向。 工況5 ：填土至管頂以上1 8 m 且壓實后，沿管軸向?qū)郝窓C光輪置于路基測區(qū)2 位置，壓路機的后輪置于進口方向。 工況6 ：填土至管頂以上1 8 m 且壓實后，無活載作用。 b 、d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞測試過程及工況 工況1 ：裸管狀態(tài)為工況1 - 1 。當(dāng)管北側(cè)( 格爾木方向) 填虛土至管直徑3 4 時為 工況1 2 。填虛土至管頂以上o 3 m 后為工況1 3 。填二e 至管頂以上03 m 且壓實后，沿 管軸向?qū)郝窓C光輪置于路基中心測區(qū)1 位置，壓路機后輪置于進口方向為工況1 4 。 工況2 ：填 二至管頂以上o3 m 且壓實后，沿管軸向?qū)郝窓C光輪置于路基測區(qū)2 位置，壓路機的后輪置于進口方向。 工況3 ：填土至管頂以上03 m 且壓實后，沿管軸向?qū)郝窓C光輪置于路基中心位 置，壓路機的后輪置于進口方向。 工況4 ：填j ：至管頂以上o3 m 且壓實后，無活戟作用。 ：r 況5 ：填 ：至管頂以上o3 m 且壓實后，將裝載有貨物總重2 98 噸的天馬自卸貨 車沿路線“進，j 舊停放，后輪( 雙輪紺、雙軸) 輪作用在婚璀、 t 心，另一輪存進【l 方向，為 i ，塏5 一l 。沿路線前進力向停放滅二i 自 貨車將后輪( 雙輪組、雙軸) 一輪 長安大學(xué)博士學(xué)位論文公路鋼進杖管函閥設(shè)計與施i 技術(shù)研究 作用在管路基中心編東o5 m ，另一輪在進u 方向為工況5 - 2 。其葉s 天馬自卸貨車為重 慶西南車輛制造總j 生產(chǎn)，i “軸與后輪前軸問距3 o m ，后輪的前軸與后軸叫距1 4 m ， 后輪橫向間距l(xiāng)8 m ，自重1 2 4 9 噸。 工況6 ：填二巴至路基標(biāo)高( 含底渣，虛土，涵頂填土1 3 m ) ，沿路線前進方向，將 推土機中心置于測區(qū)l 位置。推土機為河北宣化工程機械有限公司生產(chǎn)的t 1 4 0 一l 型， 履帶長3 0 m ，寬o5 m ，履帶間距( 中心一中心) 1 9 m ，總重1 7 噸。 工況7 ：填土至路基標(biāo)高( 含底渣，虛二) ，無活載作用。 2 3 鋼波紋管涵洞的力學(xué)試驗結(jié)果分析 2 3 1 徑向土壓力 各工況下d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞土壓力計算結(jié)果如表2 一l 。 表2 一ld k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞土壓力計算結(jié)果 各j l ：況f 十壓力( k p a ，巾1 1 0 m m 壓力計) 測區(qū)測點 管身荷載 。i 況11 。況2j f ：況3 況4：i ：況5i ：況6 11 5 8 0 6 5 47 6 73 8 2 63 3 7 33 1 2 3 131 1 4 61 46 31 65 24 6 4 03 9 3 03 4 5 9 l575 61 8 1 06 1 01 4 1 1 1 4 8 91 2 0 2 l8 10 2 1 8 3l0 23 9 270 327 3 ll o231 0 7 8 01 1 2 9 21 2 l6 l1 7 1 2 91 6 9 9 01 6 7 9 7 2l59 176 8 5 1 7 33 9 4 94 1 2 63 9 5 9 23 2 0 9 7 1 2 8 71 43 53 3 9 23 3 8 63 4 7 4 25o 6 31 5 38 4 851 660 853 4 2 815 52 4 6 35 64 1 050 44l o 21 0 1 1 1 5 2 1 3 4 1 01 2 35 91 7 6 3 l1 7 9 3 2l 7 5 4 6 3l6 5 66 2 965 52 2 2 l1 6 7 42 2 3 6 3374 972 87 9 81 7 4 91 1 5 51 77 l 3535 042 24 6 293 69 5 694 2 363 8 337 2 36 29 0 1 91 295 6 31 0 ，7 5 40 ： 6 1 5 66 7 6 61 1 8 7 51 1 8 9 j1 1 9 3 5 閣2 1 9 為d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞舀測 xi 、測i 覆2f f t t 口! t l i x _ 3 的：i ? 況與雁j 關(guān)系h 。 長安丈學(xué)博士學(xué)位論文 公路鈣選襖學(xué)鑫竭設(shè)計與施i 技術(shù)研競 幽2 一1 9 小同一況r 各測點徑向十壓力 從表2 1 和圖2 1 9 可看出關(guān)于波紋管涵洞的徑向正壓力有以下結(jié)論： ( 1 ) 各工況下，管底測點i o 處的土壓力最大，測點8 處土壓力最?。?( 2 ) 管側(cè)測點5 處的土壓力與測點6 處基本相當(dāng)，說明涵管的受力分布對稱于 過圓心的垂線； ( 3 ) d k 8 5 6 + 2 6 2 涵洞在管頂填土o3 m ( 工況2 ) 時，1 6 噸壓路機( 凈重1 5 噸) 直接碾壓，最大壓力均小于管頂填土18 m 壓路機碾壓的結(jié)果： ( 4 ) 管身荷載對徑向士壓力影響不大： ( 5 ) d k 8 5 6 + 2 6 2 涵漏管頊填i g i n 時壓路視荷載作用和d k 8 5 7 + 9 7 3 涵漏管頂填 土13 m 時推土機荷載對管周土壓力影響較小。 ( 6 ) 填土o3 m 作用汽車荷載時，局部土壓力較大，d k 8 5 7 + 9 7 3 涵洞壓力最大可 達(dá)到1 2 38 9 k p a ，比壓路機、填土l3 m 及推土機均靠荷載導(dǎo)致的土壓力大，表明填土 o3 m 時汽車荷載控制設(shè)計，晚明國外相關(guān)資料要求波 紋管涵頂最小填土o 3 m 是合理的。 如果將測點1 位置作為坐標(biāo)原點，x 坐標(biāo)垂直向 下，同時將測點位置標(biāo)號6 1 0 按照l 5 側(cè)與其對應(yīng)位 置編號修改為5 9 ，如圖2 2 0 所示，并將土壓力作 為y 坐標(biāo)，繪制成圖2 - 2 1 可看；n 各工況下土壓力與測