公路钢波纹管涵洞设计与施工技术

公路钢波纹管涵洞设计与施工技术

作者：林荣兰

来源：《房地产导刊》2014年第07期

（广西壮族自治区柳州城区公路管理局广西柳州5005）

摘 要：钢波纹管因为柔性好、适应力强，被广泛应用于公路涵洞中。本文主要分析了路钢波纹管涵洞设计的必要性及设计要求，并概述了钢波纹管涵洞设计方法和施工技术要点。 关键词：公路；钢波纹管；涵洞；设计

随着我国建筑业和钢材工业的不断发展，空间钢结构在我们的建筑中应用的越来越多。空间结构就是结构呈三维状态，在荷载力的影响下具有三维受力特性，并且会呈空间工作。空间结构被人们所广泛使用的典例有网壳、平板网架以及悬索结构等。而钢波纹管材料就是空间结构中的一种典例，这种材料因为其独特的优越性，被广泛用在了公路涵洞中。 一、公路钢波纹管涵洞设计的必要性及设计要求 （一）公路钢波纹管涵洞设计的必要性

公路涵洞往往容易发生不均匀沉降的问题，而使用钢波纹管做涵洞就会具有很强的柔性和强度，即便是在地基与基础发生剧烈变形后，也会因其本身超强的适应力而使得涵洞免受破坏；并且钢波纹管涵洞因为轴向波纹的关系，具有很强的受力优势，轴向和径向同时分布着荷载应力应变，能有效分散荷载的效应。钢波纹管涵洞还被广泛应用于冻上、软土、膨胀土、湿陷性黄土等特殊岩土地区，因为它能有效解决地基变化对涵洞的破坏，同时能降低路面因地基沉降造成的应力集中。因此，钢波纹管涵洞在上述地区更具优越性。又因涵管为柔性结构，对于改善软上地基结构物与路堤交界处的“错台现象”非常有效，能提高行车的舒适度与安全性。 （二）设计要求

首先，设计一定要确保能承受各级洪水及流冰、泥石流、漂流物等的冲击，而屹立不倒，并应将洪水对上下游的冲刷影响考虑在内，确保桥涵附近路堤的稳定。

其次，还应考虑上下游已建或拟建桥涵和水工建筑物的状况及其对河床演变的影响。 再次，一定要结合河床地形进行设计，不宜过分压缩河道、改变水流的天然状态。 还有，涵洞的孔径的大小要结合洪水流量、河床地质、河床和锥坡加固形式等条件确定。当涵洞的上游条件许可积水时，依暴雨径流计算的流量可考虑减少，但减少的流量不宜大于总流量的1／4。

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再有，涵洞宜设计为无压力式的。无压力式涵洞内顶点至洞内设计洪水频率标准水位的净高应符合的规定。

最后，计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下300角分布。当几个车轮的压力扩散线相重叠时。扩散面积以最外边的扩散线为准。 二、钢波纹管涵洞设计方法

（一）反开槽施工对应的结构设计方法

从施工荷载方面分析，管单侧填土对内力的影响较小，管顶填土0.3m时出现事故荷载效应集中的现象，但常规施工机械和车辆并不会导致涵管达到强度极限，所以管径不大时施工荷载并不影响设计。

实际上路堤法施工和反开槽施工过程中涵管受力边界条件相差较大。可以通过试验和力学模拟计算，得出了反开槽施工法钢波纹管涌洞的最大有效应力及其位置，以及最大有效应力与荷载、壁厚等的相关关系。这样，就完全可以利用回归的公式等方法计算校核各种场合下的最大有效应力以控制反开槽施工法的结构设计。理论上，柔性基础(换填砂砾等)时，反开槽施工后填土和汽车荷载作用引起的涵管内力比路堤法要大，所以采用反开槽施工对应的结构设计方法更保守。

反开槽施工对应的结构设计可采用三种方法：

方法一：直接模拟现场物理参数和力学边界条件，采用有限元法进行模拟计算，验算控制点的结构内力和挠度，这样虽然繁琐但更具体，有针对性，且适合于任意波形；

方法二：针对基础条件和填土及汽车荷载，对不同管径、不同壁厚的最大有效应力和挠度采用回归公式，验算控制点的结构内力和位移，这样方便但不具针对性，实际边界条件(如路堤法施工)和力学参数可能与本文分析结果相差较大。

方法三：利用下文的推荐壁厚，估算满足不同管径、管顶不同填土高度效应力条件的最小壁厚，这样较简便，但不能分析最大有效应力的具体数值。

总体上，方法一适合于详细、具体设计，方法二可用于初步方案设计，方法三可用于可行性分析和方案论证。 （二）推荐壁厚

结合相关波纹管涵洞的调研报告，得知波纹管所用钢材的屈服强度标准值，并考虑波纹管名义厚度与实际厚度的差异和波纹管的腐蚀富裕量，借鉴国外经验综合考虑上述因素，取安全系数，这里以安全系数1．5为例进行分析，其容许应力则取[σ]≥1Mpa。

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计算可知：管径1．5米的波纹管涵(波形r30 R30 L140 H70)，壁厚3mm在管顶填土高度5米以下(含5米)的最大等效应力无论当填土荷载或施加汽一超20后或施加挂车一120后都没有超过1MPa，最大值为118．71 MPa：而填土高度为10米时，壁厚3mm及4mm的最大等效应力超过1 MPa，壁厚5mm时在施加挂车一120下的最大等效应力为176．58 MPa，壁厚6mm的为151．33MPa。故对于管径1．5米的波纹管涵洞，当填土高度≤5水时，推荐的管涵壁厚为3mm；当填土高度达到10米时，推荐的管涵壁厚为6mm。根据上述分析原则，适当考虑管壁腐蚀富裕量，推荐波纹管涵洞(波形L140H70)等管径不同填土高度的壁厚也会有所不同。此外，根据调研情况，部分波纹管涵采用2．5m直径，经计算分析，对于管径2．5米的波纹管涵洞(波形r30 R30 L140 H70)，当填土高度为5米以下(含5米)时，推荐的管涵壁厚为3mm；当填土高度达到8米时，推荐的管涵壁厚为6mm。 （三）公路钢波纹管涵洞细部构造及管材要求

根据力学分析及调研情况，采用A3或Q235A热轧钢板制作波纹管涵洞已经完全能适应公路工程的需求，但应符合“碳素结构钢”GB700--88和“热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差”GB709—88的规定。波纹管加工后须采用热浸镀锌等防腐。采用镀锌钢板加工的，在加工后必须进行防腐的二次处理。管材尺寸加工误差应控制在3％以内。

根掘计算分析和涵洞施工及运营的荷载效应，必须对一定波形的钢板厚度要求最小厚度：即应用于钢波纹管涵洞(波形为140×70mm)的钢板最小厚度为3mm。作为涵洞的重要组成部分，连接螺栓及密封材料应予以重视。连接螺栓的强度一定要达到相关标准，并且要有一定的耐腐蚀性。密封材料要求密封不漏水，耐久性好。

参考相关的标准，钢波纹管涵洞的连接材料应该满足下列条件：

连接用螺栓采用高强度六角螺栓连接，直径较大的拼装板式波纹管涵洞应采用M20 X40- M20 X60规格（直径小于2m时可采用M16 XL50规格）。螺栓和螺母均可采用热浸镀锌防腐。

螺栓材料采用40Cr,且符合“合金结构钢技术条件”GB3077-88的要求，理化指标应符合“钢结构用高强度大六角头螺栓，大六角螺母，垫圈技术条件”GB/T1231-91的8.8级规定。 （四）选择公路钢波纹管涵洞的洞口与处理 1.选择洞口

洞口建筑是由进水口和出水口两部分组成。洞口应与洞身、路基衔接平顺，并起到调节水流和形成良好流线的作用，同时使洞身、洞口(包括基础)、两侧路基以及上下游附近河床免受冲刷。另外，洞口型式的选定，还直接影响着涵洞的渲泄能力和河床加固类型的选用。

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常用的涵洞洞口的类型主要有八字式、一字墙式、锥坡式、走廊式和平头式。此外适合于钢波纹管涵洞的还有：直管延长式、簸箕式。具体的形式推荐使用前两种，并建议在进出口基础为刚性基础时，涵管与进出口采用柔性连接方式，如止水带连接。 2.斜交洞口的处理

涵洞与路线相交，可分为正交和斜交两种，常用斜交角α为750、600、450 三种。当涵洞与路线斜交时，其洞口建筑所采用的各种形式与正交时基本相同。根据洞身的构造不同，有两种处理方法：斜交斜做和斜交正做。当斜交涵管采用平头式洞口时，其突出路基之外的三角台，则以铺砌护道边坡的方法予以加固。

一般情况下可使用钢波纹管涵斜交正做，参照美国公路桥粱设计舰范斜交正做中歪斜路堤的最小宽度取作涵洞矢高与覆盖层厚度之和的1．5倍。 三、钢波纹管涵洞施工技术控制

钢波纹管涵洞施工工艺主要可以采用直接填筑法和反开槽回填法两种，但是因为后者涵洞的

施工多在路基施工结束后(新建公路)和改建涵洞(养护工程)，所以不会对路基施工整体进度造成太大的影响，所以这种方法比较常见。这两种方法在外力上有所不同，但是施工工艺基本是差不多的。

波纹管涵的施工技术方面主要应控制好下面几点：

施工一定要考虑季节时间因素，尽量避免在冰冻季节施工，因为这个时候会因冰冻影响工程质量；

寒冷冰冻地区对基础换填材料要求较高，在这些地区施工要严格控制粉粘粒含量，避免涵管冻胀破坏；

应该分层碾压基础与涵管侧面、顶部的填料，确保压实度达到要求，避免涵管应力集中、涵管变形和涵管两侧的跳车等事件的发生；

要避免涵管滚动，可以再压实后的地基表面刻槽呈凹弧形以安放涵管；

涵管拼装应严格控制涵底纵坡，并加强管节的防腐措施，确保涵洞使用性能和服务寿命满足要求。基础放样时应根据设计要求或工程经验，针对不同地区在涵管纵向适当预留一定的预拱度，如软土地区预拱度可控制在0．5％左右。 参考文献：

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[1]王秉勇.涵洞顶填土压力的讨论及计算[J].铁道工程学报.2002，2(74)：50-. [2]赵江辉.高速公路涵洞设计浅谈[J].山西建筑.2010（8）．

[3]熊斌辉．浅谈YTHG拼装金属波纹涵管施工工艺[J]．中国西部科技.2008(13)．