钢波纹管涵受力特征有限元模拟研究

唐赛尹建伟

摘要：钢波纹管是以薄钢板为主体材料，通过液压成型等众多生产工艺进行加工制作成波纹状管型，将波纹管应用于涵洞工程，采用结构有限元计算理论以及有限元单元Birth&Death原理分析实际工程钢波纹管涵洞的受力特征。

关键词：钢波纹管涵洞；有限元；受力特征

1.钢波纹管涵洞概述

钢波纹管的生产是通过将薄钢板进行板面加工处理成波纹形状，依据不同的管圆半径要求，采用液压成型等诸多生产工艺制备波纹管板片以及管节，其中通常的钢板厚度为1.6mm至12mm，钢材的材质通常选为Q235A。依据不同的加工方式，其波纹管类型可为圆环形波纹管、螺旋型波纹管和拼装板件。依据不同的截面形式，其波纹管类型可分为椭圆形型、拱型、圆形和管拱型。

工厂标准化预制可大批量生产钢波纹管，其生产周期较短，小孔径钢波纹管直接成管，大孔径钢波纹管多数以拼装型进行生产，施工过程中可采用螺栓连接波纹板片用以拼装加固成型，施工作业效率可以得到大幅提升，相比于钢筋混凝土涵洞，节约了混凝土浇筑养护等工程所需时间，减缓冬季对涵洞施工作业的影响，同时其管体或者板件易于运输，不易损坏。

钢波纹管整体整体作为一个柔性结构体，其各向变形能力强，管壁波纹的存在使其管体具有优良的受力变形特点，通过波纹的伸展压缩，可克服工程上许多不良地质的影响，使得涵洞结构得到较好的安全保障。

2.有限元模型的构建与几何网格划分

有限元在工程领域中已得到广泛应用及发展，其分析计算原理为将结构体离散为众多小单元结构体，通过节点的连续性建立函数，最终求解整个结构体系的场函数。

以鹤岗到大连高速公路大孔径钢波纹管涵洞作为实际工程参考依据对象，采用有限元建立几何模型，模型的建立方式为自上至下，通过线的建立、粘合、平移以及旋转等操作成面，再采用体建立方法成路基路面，最终通过切割、划分和删除等操作建立涵洞及土体结构，几何模型如图1所示。

模型参数依据波纹钢板产品说明书进行取值，其波长采用230mm，波高采用64mm，波数采用100个，回转半径为57mm，钢板厚度为5mm，管体内径为4m，管顶覆土厚度为1.6m，为浅埋式大孔径钢波纹管涵洞。

有限元求解分析需对结构体进行单元离散，故采用网格划分对模型进行处理，其中管壁采用面划分，单元形状选取为四边形，土体采用体扫略划分，单元形状选取为六面体，单元尺寸的划分需保证计算精算较大。

3.有限元模型结构受力特征

有限元计算模型分析中，结构有限元计算理论以及有限元单元Birth&Death原理对涵管周围土体失稳导致的管体影响程度进行分析。

其中，波峰、波谷及波侧分别指观察视角为管内壁至外壁，管横向截面的最高处为管顶，管顶位置约定为0°，管周角度增加方向为顺时针方向。掏空前为管体楔形部位土体压实整密的受力情况，掏空后为管体楔形部位土体流失的受力情况。

（1）波峰等效应力变化情况

随管周角度的变化，不同位置处的波峰等效应力均不同，且等效应力基于180°对称，土体掏空后，管体90°至270°处出现应力集中现象，管体应力产生重分布，在管周120°、170°、190°与240°位置达到等效应力较大值，其值大小约为52MPa至55MPa，相比于掏空前的受力状态，其最大等效应力增大约205%，表明土体局部掏空对波纹管波峰处的等效应力分布规律产生了较大影响。

随管周角度的变化，不同位置处的波谷等效应力均不同，且等效应力基于180°对称，管底土体局部掏空后，波谷管周90°至270°之间的等效应力产生剧烈波动，管周165°和管周195°处达到等效应力最大值170MPa，管体产生应力集中现象，且超过了钢波钢板的最大容许应力156MPa，故土体局部掏空对涵洞整体结构的安全性能产生较大影响。

（3）波侧等效应力变化情况

随管周角度的变化，不同位置处的波侧等效应力均不同，且等效应力基于180°对称，管周100°至管周260°处出现明显的应力集中，其突变的等效应力值不大，表明土体局部掏空对波侧处的等效应力产生一定影响。

4.结论

通过有限元软件对钢波纹管涵洞在不同情况下的受力特征进行分析，管体楔形部位的土体被掏空会导致管体所受应力重分布，在管体不同位置处出现应力集中现象，并在波谷处产生较大的等效应力值，同时管体的变形也会受到相应影响，危及钢波纹管涵洞的安全稳定性，故钢波纹管涵洞施工中，需对管底土体进行严格压实整密。

参考文献：

[1]李祝龙．公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究[D]：［博士学位论文］．西安：长安大学，2005．

[2]邓凡平．ANSYS12有限元分析自学手册[M]．北京：人民邮电出版社，2011．1-15．

作者简介：唐赛（1991-），男，贵州贵阳人，硕士研究生，助理工程师，主要从事公路工程和市政工程的科研与设计工作。