波纹钢管涵接头受力和防水性能分析

张金锁， 刘 洋， 车青森， 董鹏国

（北京市市政二建设工程有限责任公司，北京 100141）

传统公路管涵多为混凝土材料，存在造价高、刚度大、工期长、污染环境、运输不便、耐久性及抗变形能力差等问题；而波纹钢具有综合造价低、变形能力强、对基础要求低、运输方便、施工周期短安装方便、工厂化预制、施工速度快、环保等明显优势，因此波纹钢管涵可作为传统混凝土管涵的替代结构[1～2]。

国外波纹钢研究应用相对较早；近年来，我国也开始使用波纹钢管涵代替混凝土管涵，一些研究人员开始对波纹钢管涵的力学性能和变形特性进行研究。尤佺等[3]提出了一种钢波纹管受力分析方法，很好的表述了钢波纹管的力学性能；宋远等[4]对不同形式的拼装波纹钢板纵向接头抗弯力学性能进行了研究；尹凌峰等[5]通过对螺栓搭接方式试件的静力拉伸试验，研究了波纹板螺栓连接收剪切破坏和力学性能。

对于波纹钢管涵来说，受力最薄弱的是接头部位，本文对接头部位的力学性能和变形特性进行研究并对接头部位进行加强设计，以保障安全性。

1 接头受力分析

对波纹钢管涵凹凸法兰接头与常用的平法兰接头和搭接接头进行力学性能分析。

1.1 模型建立

采用有限元软件ABAQUS 进行数值模拟并做出一些合理的简化，虑到计算机的计算能力，将模型中的网格进行了不均匀划分，管涵及其附近土体进行细密划分；在波纹钢接头两侧的加载板上施加均布荷载。见图1。

图1 波纹钢管接头加载模型

1）计算区域：模型左右边界到波纹钢管接头距离均为80 cm；考虑到波纹对于波纹钢管受力变形特性的影响，为真实模拟这一结构，沿线路纵断面方向截取5个波长的波纹管及管周土体。

2）边界条件：模型左右两侧边界施加限制其x 方向即水平方向的铰支座；模型下部边界施加完全固定的支座；模型上部边界为自由面，不施加约束。

3）均质材料：假定计算区域内的波纹钢管、填土、垫层和地基土等模型材料均为各向同性材料。

4）接触关系：采用Tie 绑定约束来模拟波纹钢管与管周土体之间的相互作用，保证波纹钢管涵与土体变形的连续性，采用八节点六面体实体单元C3D8I 模拟波纹钢管和土体。

1.2 接头受力分析

3种接头抵抗变形能力：搭接＞平法兰＞凹凸法兰，但3种接头的承载能力均能满足工程要求［6］，故在施工条件允许的情况下，应优先考虑使用搭接接头。见图2。

图2 3种接头部位最大竖向变形

1.3 搭接接头受力测试

为了研究搭接接头变形特性，进行接头部位等比例加载试验。采用波形为300 mm×110 mm、板厚为5 mm的波纹钢，钢材为Q345。见图3。

图3 试验测点布置

将构件按照纯弯试验加载，直至破坏。荷载-应力曲线与荷载-位移曲线的极限荷载相匹配，验证了数据的正确性。数值模拟结果与试验结果虽稍有偏差，但总体上契合，验证了数值模拟模型的正确性。见图4和图5。

图4 荷载-应力曲线

图5 荷载-位移曲线

2 波纹钢接头防水性能分析

2.1 防水测试

分别对不同预紧力和不同防水材料进行测试。见表1。

表1 波纹钢管涵防水试验

试件一为两环对接波纹钢管涵，试件二为搭接波纹钢管涵，见表2。

表2 试件对比

在试件上加装阀门、水压计和水泵。打开出气口和进水口的阀门，用水泵对管涵内注水，待有水从出气口流出时，关闭出气口阀门，对密封系统施加水压。见图6。

图6 试件模型

水压按照0.1 MPa 级别增压，每一级水压稳压10 min，若流量计突然升高、水压计不再上升或有水渗出则记录对应的水压，取其上一级水压作为其最大耐水压力；若0.5 MPa 水压仍未突破防水材料，则继续加压，水压按照0.05 MPa 级别增压，每级稳压5 min，直至水压突破防水材料或者水压达到2.0 MPa。

试件一共布置5个应变片，见图7。

图7 试件一测点布置

试件二因是圆形，受水压的均匀作用，故可在任意一点布置应变片。本试验选择管涵的跨中断面即距离接头部位0.5 m处，在波峰和波谷各布置2个应变片，一个环向方向一个纵向方向。

2.2 结果分析

2.2.1 搭接接头

试件二用水泵灌满水后，在未加压的情况下，搭接接缝处开始渗水。为进一步研究极限水压，使用气泵进行加压，压力达到0.3 MPa 的时候，开始大面积漏水。

因波纹钢管涵沿接缝处直径截面为轴对称结构，故可仅研究管涵1/2截面的应力分布并设定试件二的侧向接缝位置为0°。在水压的作用下，波纹钢管涵的环向应力从接缝处开始，沿顺时针方向呈现先增大后减小的趋势。见图8。

图8 试件二应力环向分布

2.2.2 对接接头

1）普通遇水膨胀橡胶垫。试件一的螺栓预紧扭矩为175、225、275 N·m 时，极限水压分别为0.3、0.5、0.65 MPa。见图9。

图9 普通遇水膨胀橡胶垫极限水压与预紧力矩关系

在水压的作用下，管涵波峰、波谷的应力均随着加载水压的增大而逐渐增大；波峰的应力为负值即为压应力，波谷的应力为正值即为拉应力；对比波谷和波峰的应力绝对值，在同一加载水压下，波谷应力绝对值大于波峰应力绝对值。见图10。

图10 管涵应力

2）三元乙丙基遇水膨胀橡胶垫。试件一的螺栓初始预紧扭矩为175 N·m，在灌满水未加压的情况下未发现漏水；加压到0.35 MPa 时，开始轻微渗水，但持续几分钟后渗水停止；继续加压到0.55 MPa，螺栓处开始渗水。分析产生这种现象的原因时，初始三元乙丙基橡胶垫未遇水膨胀的极限水压为0.3 MPa，在橡胶垫遇水膨胀后，封闭了原有的渗水路径，直到0.55 MPa才开始继续渗水，故极限水压为0.5 MPa。

试件一的螺栓预紧扭矩为225、275 N·m 时，极限水压分别为0.75、0.9 MPa。见图11。

图11 三元乙丙基橡胶垫极限水压与预紧力矩关系

3 结论

1）3 种接头抵抗变形能力：搭接＞平法兰＞凹凸法兰，但3 种接头的承载能力均能满足工程需求。在施工条件允许的情况下，应优先考虑使用搭接接头。

2）搭接接头的极限水压为0.3 MPa，水压越大渗水面积越大。

3）对接接头采用天然遇水膨胀橡胶垫和三元乙丙遇水膨胀橡胶垫防水，在螺栓预紧力达到275 N·m时，对接接头的极限水压分别达到了0.65、0.90 MPa。极限水压与螺栓预紧力呈正比。

4）在工程应用中，平法兰接头、凹凸法兰接头和搭接接头的力学性能均能满足工程需求。在考虑施工便利性和防水要求的情况下，搭接接头适用于无水直埋式管涵；对接平法兰接头适用于无较大水压的暗挖管涵；对接凹凸法兰接头则适用于承受高水压的管涵。