高填土大管径波纹钢管涵质量特性的选择

【摘要】波纹钢管涵作为一种新材料在国内使用只有十余年，部分高等院校、公路研究单位与生产企业对此有研究，而施工单位只是在生产厂家现场安装后，完成的仅仅是回填土工作，往往对高填土、大管径波纹钢管涵应有的质量特性要求上有所忽略。本文结合麻竹高速波纹钢管涵的施工，说明对钢管涵质量特性的选择要求，本文第一作者为该项目路桥主任工程师，第二作者为该项目技术负责人，本文写作于2014年11月。

【关键词】高填土 大管径 波纹钢管涵 质量特性

1.波纹钢管涵的应用原理

波纹管涵是将2.0～8.0mm薄钢板冲压成波纹后，制成管节或板片，拼装组合具有一定柔性的高强度钢管，作涵洞埋置后，在动、静荷载共同作用下，管道就会受压变形，管顶在竖向荷载的作用下，钢管向两侧挤压侧壁的填料，但压实后的填料对管道有一个反作用力，约束其变形，并帮助管道承受荷载，当管道承受荷载时，管壁周边受力是均匀分布的，这就是管――土效应。 图1-1 柔性管力学性能

由于管――土效应的存在，管涵提高了适应地基的变形能力，有效解决了因地基不均匀沉降而导致涵洞破坏的问题，而且由于钢管波纹的存在，使其具有良好的受力特性，轴向与环向同时承担荷载引起的应力应变，可以在更大程度上分散荷载。

2.麻竹四标波纹钢管涵工况简介

2.1合同段内设置四道钢波纹管涵，其中有一道管径Ф8.0m，是目前国内最大管径的波纹钢管涵。四道管涵均设在两隧道之间的冲沟处，地基软弱，填土高度在15～22m间。

3.波纹钢管的质量特性选择

3.1波高与波距

3.1.1如果波高一定，增长波距，波纹管的波纹特性将失去，波形板趋向于平板。

3.1.2波纹是利用模具冲压而成。由于钢板有一定的延展性能，在冲压过程中，波峰、波谷一边受压、一边受拉，如果波距一定，增大波高，钢板的壁厚就会有变薄趋势，刚度随之降低。事实上在冲压过程中，要想壁厚变薄的趋势减小，只能一个波、一个波地冲压，这样就会大大降低施工功效，冲压的难度也会增加。所以不可能无限的增加波高。 图3-2 钢波纹板的加工

3.1.3波高与波距的选择

波高、波距与钢管抗压强度的关系：由常识知钢管波纹的存在，事实上是增加了面板与土体的接触面积，意味着减小了土体对钢管的压力，相当于增大了钢管的抗压强度。查阅相关文献知，增高波高，波谷处内力降低显著，但涵顶竖向土压力增幅明显，而管涵变形量不大，钢波纹管的整体稳定性也很好；而增加波距，涵顶竖向土压力和钢管的变形幅度较小，可忽略不计。对于6m、8m这些大管径波纹管涵要选择合适的波高与波距，并不是一味增加波高来增加钢管的抗压性能，所以我们在波形截面的选择上，6m管用的是55×200mm波形钢板，8m管用的是150×400mm波形钢板，国内只有很少厂家能生产这个规格。

3.2钢板壁厚

3.2.1钢管的壁厚与刚度的关系

钢管的壁厚与钢管的刚度是成线形关系的，壁厚越厚，钢管的刚度也就越大，抗压性能也越好。

3.2.2钢管的壁厚与土体的竖向压力的关系

钢管的壁厚越厚，即刚度越大，抵抗变形能力就越大，管顶土体与管两侧土体变形量的比值也会加大。由于变形不同，管顶土体与管两侧土体就有摩擦力的存在，这种摩擦力会传递给管顶，管顶的压力也会随之增加。钢管的刚度增加，钢管的柔性性能也会减小，柔性管会变成刚性管，适应地基的变形能力将失去，同时增加壁厚，钢管的用材量也会增加。

3.2.3钢管壁厚的选择

原设计6m、8m管都是用的6.5mm壁厚的钢板，后来我们选择钢板壁厚时，考虑了运输过程中的变形，加工中壁厚的损失，只增加了0.5mm，壁厚均选用7mm。

3.3拼板片数

3.3.1钢波纹管的分类

波纹钢管从组装形式可分为：整装形波纹管与拼装形波纹管，整装形只用于小于2m的小管，大管必须采用拼装形，因为大管的加工与运输难度都很大。

3.3.2整装与拼装的性能比较

整装只有一片钢板圈制而成，拼装至少是两片，或者更多片拼接成一周连接而成。连接越少，管体整体性能越好，因此拼装片数越少其性能越好。

3.3.3拼装片数的选择

6m管按照图纸设计要求，6片拼装；但是8m管，国内应用很少，还没有很多理论支持与规范要求，为保守起见，我们要求厂家8m管也是6片拼装。

3.4连接方式

3.4.1连接方式的分类

片与片连接都是用高强度的螺栓连接。

管节与管节之间的连接：一种是法兰盘打孔再用高强度螺栓连接；一种是螺纹直接连接，这种连接方式只能用于小管连接；还有一种连接方式，没有法兰盘，直接板与板之间高强度螺栓连接，这常用于大管连接。

3.4.2连接方式的比较

螺纹直接连接只能用于小管，整体性能也比较好。高强度螺栓连接，连接孔数要满足一定的个数，连接孔个数不足，连接缝强度就不足，但不是越多越好，因为孔眼加工的精度有限，或者运输变形，螺栓孔与螺栓就有可能对位不正，强制连接后，栓与孔之间就有孔隙，这样连接缝强度衰减也就越大。

3.5预拱度的选择

3.5.1纵向预拱：根据图3-7（b）《高填土加强肋示意图》，由于边坡与路面垂直投影以下的填土高度不一样，钢管在纵向上受到的压力不等，中间部分最大，钢管的压缩变形也最大，在做地基处理的时候，中间部分要做1%-2%向上的预拱，道理与预制梁相同，只不过方向正好相反。

3.5.2截面预拱：由图1-1《柔性管的力学性能》知，波形钢管受压以后，本身会变形，为了变形后达到我们预想的设计效果，我们要求生产厂家钢管的垂直方向上也要有一定的预拱。

3.6管节地基处理与回填要求

3.6.1《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）要求：钢波纹管管节的地基应予压实，并应做成与管身弧度密贴的弧形管座，管座所采用的材料应匀质且无大石块等硬物。波形钢管不得直接置于岩石地基或混凝土基座上，应在管节和地基之间设置砂砾垫层或其他适宜材料，对于软土地基，应先对其进行处理，再填筑一层厚度不小于200mm的砂砾垫层并夯实紧密。在距波形钢管0.3m范围内的填土中，不得含有尺寸超过80mm的石块、混凝土块、冻土块、高塑性黏土块或其他有害腐蚀材料。

3.6.2管座材料的选择

原设计如上图，管座使用C15混凝土，根据规范要求，我们与设计院沟通，管座如果用混凝土硬性材料，会约束钢管的变形，发挥不了波形钢管的柔，后来设计院采纳我们的建议，波形钢管四周全部采用不大于5cm粒径的碎石填筑。

4.结论

波形钢管的质量特性有很多，除了截面形状（含管径），壁厚、连接方式、回填材料每一项都是很重要的参数，改变每一项参数都对波形钢管的使用功能有很大的影响，不能为了达到某一功能，人为的增加或减少某一项质量特性，要顾及满足功能又节约用料的原则，根据需要，均衡的改变设计参数。

波形钢管防腐用热镀锌处理，镀锌量与镀锌厚度国家标准有要求，这也是我们质量特性选择的一个条件，最近我国南京有一厂家在波形钢管的防腐处理上获得一项国际专利，明确保证防腐与耐磨性能达到100年寿命，这也值得我们关注。