高等级公路钢筋砼圆管涵受力状态研究与试验

1、高等级公路钢筋砼圆管涵受力状态研究与试验江祥林 谌润水（江西省交通科学技术研究所 南昌 330038）摘 要：本文针对高速公路工程涵洞构造物易发生施工质量的问题，选取某条高速公路的1.5m圆管涵进行理论受力分析，进行静载试验，并进一步根据理论分析结果与静载试验数据提出圆管涵施工过程中的关键技术与工艺。关键词：桥梁工程；圆管涵；受力；研究；试验0 前言据全国195条公路资料统计，小桥涵洞投资约占公路总投资的20%左右，其投资额约为大、中桥的三倍，因而小桥涵洞的质量直接关系着整条公路的使用性能1。但经调查全国几条高速公路的涵洞使用状况，存在圆涵洞不同程度开裂现象，严重者已影响到构造物的正常使用。本

2、文对正在建设中的某条高速公路选取1.5m钢筋砼圆管涵进行了结构理论分析，并进行了抽样静载试验，理论分析与静载试验结果证明涵管周边填土密实度直接关系到钢筋砼圆管的正常使用。1 钢筋砼圆管涵结构计算1.1结构计算模型的建立原则与要点1.1.1考虑到钢筋砼圆管涵受力较为复杂，本次计算将钢筋砼圆管涵建立成三维有限元模型进行计算分析（见图1所示）；1.2.2为了能精确分析钢筋砼圆管涵的实际受力状况，计算中将砼管身采用三维八节点实体单元，并引入9个单元内部自由度的不协调位移模式2。纵向钢筋采用杆元素在其真实方位上模拟；1.2.3对于钢筋砼圆管涵中的螺旋钢筋，本身具有纵向与周向双重受力作用，考虑我们所要分析

3、的涵管受力情况来说，其沿管身纵向受力作用不明显，主要为承受周向应力作用，为便于建模，本次计算将螺旋筋按螺距模拟成圆环状杆元素；1.2.4对于圆管涵周边土壤支持力，采用弹性杆元素模拟。为了能分析出涵管的真实受力状况，根据实际受力状态，分别考虑圆管中心以上为竖向荷载与法向荷载两种状况进行分析；1.2.5为能提高计算精度，在几何形状上尽可能的反映结构物（钢筋砼圆管涵）的真实情况，结构离散过程中，将节点离散得较密集。1.2.6根据1.5m圆管涵不同的填土高度、不同的配筋形式，将1.5m圆管涵建成3个不同的模型，每个模型又分为设计荷载工况、试验荷载工况，并在设计荷载工况计算中分别考虑管中心以上为竖向荷载

4、作用和法向荷载作用两种情况，不考虑土壤与砼圆管壁间的摩擦力的影响；1.2.7当设计填土厚6m时，考虑活载作用（按照等代土层法计算），不考虑汽车超20级、挂车120两者荷载对管节产生的应力差，当填土厚6m时，不计活载的作用。1.2结构计算根据建立的空间模型，采用有限元计算程序SAP91进行计算，计算结果见表1所示。 钢筋砼圆管涵设计荷载作用下结果一览表 表1直径(m)模 型 工 况砼最大应力(MPa)钢筋最大应力(MPa)maxminMaxmin1.56H8设计荷载考虑圆管中心线以上荷载竖向作用下3.49-3.7114.1-22.6考虑圆管中心线以上荷载法向作用下1.17-1.733.37-13

5、.384H6设计荷载考虑竖向荷载作用下2.66-2.8210.7317.26考虑法向荷载作用下0.87-1.312.55-10.280.5H4设计荷载考虑竖向荷载作用下1.79-1.907.22-11.56考虑法向荷载作用下0.60-0.881.70-6.78注：表中“+”表示拉应力，“-”表示压应力a.钢筋砼圆管涵结构离散图 b.圆管涵钢筋模拟图图1 钢筋圆管涵结构离散图2 圆管涵静载试验2.1试验目的、测试项目及测点布置为能进一步研究分析钢筋砼圆管涵真实受力状态与受力性能，了解其受力规律，验证结构受力状态与设计理论的相符性，特选取1.5m，填土高分别为4m、6m、8m各一节进行荷载试验。试

6、验采用等效加载的模式进行加载，即在圆管涵管顶加一线形分布荷载，使控制截面产生的效应与设计控制效应相当（测点及试验加载布置详见图2所示）。图2 圆管涵试验测点布置与试验加载示意图试验中分别对结构物控制截面的最大应力、变形及裂缝的出现与发展进行了测试。经计算，圆管涵管顶加载值见表2所示。1.5m钢筋砼圆管涵试验加载值一览表 表2直径(m)涵顶填土高涵顶管壁下缘最大应力(MPa)在涵顶相当加力P（KN/m）1.56H83.4944.64H62.6633.80.5H41.7922.42.2试验数据分析填土高6H8m钢筋砼圆管涵试验数据分析。1.5m填土高6H8m圆管涵试验数据分析表 表3试验加载力Ps

7、（KN）1020304050应力管顶下缘实测值(MPa)0.511.442.223.003.63理论值(MPa)0.781.572.353.133.91校验系数()0.6540.9170.9450.9580.928管侧外缘实测值(MPa)0.190.721.151.581.82理论值(MPa)0.651.301.952.603.25校验系数()0.2920.5540.5890.6080.560挠度实测值(mm)0.040.110.1610.2200.29理论值(mm)0.1000.2000.3000.4000.500校验系数()0.4000.5500.5370.5500.580填土高4H6m钢

8、筋砼圆管涵试验数据分析。1.5m填土高4H6m圆管涵试验数据分析表 表4试验加载力Ps（KN）10203040应力管顶下缘实测值(MPa)0.661.652.943.96理论值(MPa)0.791.582.373.16校验系数()0.8351.0441.2411.253管侧外缘实测值(MPa)0.391.011.972.69理论值(MPa)0.651.301.952.60校验系数()0.6060.7771.0101.035挠度实测值(mm)0.060.140.2270.296理论值(mm)0.1000.2000.3000.400校验系数()0.6000.7000.7570.740填土高0.5H

9、4m钢筋砼圆管涵试验数据分析。1.5m填土高0.5H4m圆管涵试验数据分析表 表5试验加载力Ps（KN）10203040应力管顶下缘实测值(MPa)0.300.811.502.13理论值(MPa)0.541.081632.17校验系数()0.5560.7500.9200.982管侧外缘实测值(MPa)0.050.050.050.29理论值(MPa)0.731.462.192.92校验系数()0.0680.0340.0230.099挠度实测值(mm)0.060.120.200.25理论值(mm)0.100.200.300.40校验系数()0.6000.6000.6670.625试验荷载作用下裂缝

10、情况分析对试验过程中三管节进行裂缝跟踪观察，其结果详见表6。试验管节裂缝情况一览表 表6直径（m)设计填土高(m)理论开裂加载P(KN)实际开裂情况加载力(KN)裂缝宽1.56H822.36600.14H622.20400.10.5H421.96400.12.3试验数据分析与结论2.3.1根据空间有限元结构分析结果可看出：1.5m钢筋砼圆管涵在设计的受力状态下符合使用要求。2.3.2从试验数据分析结果可看出：(1)在加载力Ps较小时，实测值均较小，分析主要为支承塑性变形以及加载方式等引起，但整体上实测值在砼开裂前均基本符合线性变形；(2)本次试验的3根管节的实测值与理论值均符合性较好（大部分实

11、测值均小于理论值），个别点实测值大于理论值，经分析其产生原因主要为：该试验管节砼表面不平整，加载时受力不均而产生。(3)建议进一步加强钢筋砼圆管涵的预制质量和采取措施确保圆管涵的施工安装质量。3 结语根据圆管涵计算结果可看出：若圆管涵外包填土达到要求的密实度时，即涵管中心以上填土压力接近法向受力的情况下，1.5m钢筋砼圆管涵使用性能好，施工时若涵顶及两侧填土不密实，接近竖向荷载受力时，钢筋砼圆管涵（1.5m）在设计荷载作用下最不利截面砼拉应力超过规范3允许值，而产生裂缝。因此，建议施工中应严格按照规范要求进行，并特别注意以下几点：切实加强钢筋砼圆管涵的预制质量，确保圆管涵的壁厚、砼强度及配筋率达到设计要求；钢筋砼圆管涵吊装过程中应注意吊点位置正确，并注意轻拿轻放，以免损伤钢筋砼圆管涵。管涵基底应按设计要求铺设，必须注意平整，砂砾垫层必须均匀、密实。当地基土质较差，地基容许承载力小于管基基底应力的应采取换土措施，其换土深度由计算确定。如涵洞处于软土路段，应待地基处理（包括预压）完毕后再挖开路基进行涵洞施工，并与之连通，对于此类涵洞，还应按施工后沉降量的一半设置预拱度。涵洞顶上及洞身两侧在不小于两倍孔径范围的填土要分层对称夯实，压实度在95%以上。涵洞顶填土厚0.5m1.0