钢波纹板

钢波纹板（共7篇）

钢波纹板 篇1

摘要：文章通过实例工程实例应用, 验证了采用钢波纹管涵钢施工, 其施工工序简洁, 易于操控掌握, 并且施工速度快可大大缩段建设工期等优点, 势必将在公路涵洞修建方面发挥重要的作用。

关键词：钢波纹管,涵洞,施工,优点,作用

引言

钢波纹管涵是采用波纹状管或由波纹状板通过连接、拼装形成的一种涵洞形式。波纹管是由钢、铝或塑料等材料制成。对公路涵洞来说, 波纹管涵是替代钢筋砼圆管涵的优质公路建材。该产品具有工期短、重量轻、安装方便、耐久性好、工程造价低、抗变形能力强、减少通车后养护成本等特点, 尤其应用在高寒冻土地区、软土路基地带, 具有明显的经济效益。

1 工程实例应用

省道陵沁线西上庄至西河段公路工程该项目起点位于晋城市城区西上庄, 终点位于阳城县西河镇阳邑村。路线全长54.434公里, 全线按双向四车道一级公路标准建设, 设计速度60km/h, 路基宽度20.0m。考虑到路线的重要性及地质地形的复杂性, 将原有的钢筋混凝土拱涵变更为波纹管涵, 该管涵为原型整体管, 采用整管节拼装、法兰螺栓连接。本项目涵洞采用此方法, 大大缩短了涵洞修建时间, 保障了全线土石方的正常施工, 并降低了工程造价, 保证了施工工期。

1.1 钢波纹管涵施工工艺原理

钢波纹管涵洞施工以其结构的“薄壳”受力理论为依据, 由于轴向波纹的存在, 轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变可以更大程度上分散荷载的应力集中, 充分发挥钢波纹管结构的优势, 适应地基变形。

1.2 钢波纹管涵适用范围

适用于各等级公路中钢波纹管管径为大于2.0m小于等于6.0m的涵洞或通道。

1.3 钢波纹管涵施工工艺

1.3.1 施工准备

涵洞施工前组织测量人员根据设计文件放出管涵轴线, 打好中边桩, 在涵管基础范围边缘撒上白灰线, 测出原地面高程。严格控制各分部的平面尺寸和顶面标高。

1.3.2 基础开挖

根据放样的桩位用白灰撒出开挖边界, 根据地质情况采用相应的开挖边坡比例和支护方式, 开挖采用挖掘机开挖, 开挖至距设计标高30cm时停止开挖, 用人工开挖、整平, 避免超挖和基底土遭受扰动。基础四周设置排水沟, 避免雨季基底被浸泡。

1.3.3 基础垫层填筑

基础垫层采用级配良好的砂砾填筑, 顶层采用粗砂找平。施工采用振动压路机分层填筑、分层压实的方法进行, 每层厚度25cm, 厚度和压实度均应达到设计要求, 并进行沉降量观测, 沉降量不大于2mm。同时在基础垫层顶面预留涵长0.2%~1%的预拱度, 确保管道中部不出现凹陷或逆坡。

1.3.4 管身安装

(1) 管身安装前要仔细检查涵管底部基础平整度、标高, 确定涵洞位置、中心轴线、中点;

(2) 根据涵洞实际情况, 排放波纹管。如果涵洞两侧进出水口是与路基同坡度的斜口形式, 安装时先安装中间管节, 在基础长度方向留出进出水口位置。中间管节全部安装完毕、校正就位后再安装两侧进出水口。安装时从一侧排放第一根管节, 使管中心和基础纵向中心线平行, 同样把第二根管放置就位, 当两根管相邻法兰间距3cm~5cm时, 用小撬棍对准法兰上的螺栓孔, 使其对正, 这时从第二节管的另一端撬动管节, 使其纵向平移, 使法兰间距在2cm左右, 然后全部穿上螺栓, 拧上螺丝, 带平扣即可。此后依次逐节连接, 每道涵洞中间管节无先后次序, 可随意连接。

(3) 管节全部拼装完成后, 应检查管节位置是否符合设计要求。并在管身内侧所有钢板拼缝采用密封胶进行密封防止泄露。

(4) 管节内外管壁涂上或喷上含有石棉纤维的厚沥青一道。或涂涮两遍沥青和石油的拌和物, 以加强防腐蚀作用。从外观看管壁内外均匀的涂成了黑管即可。但是必须要等到沥青晾干后方可回填。一般沥青涂层的厚度要达到0.4mm~0.5mm。此外, 还可采用加厚管壁的办法, 一般管壁每年蚀耗厚度为0.01mm~0.03mm。可按计划使用年数和此数值估计增加厚度。两种涂涮剂的配合比和涂涮方法如下:a) 含有石棉纤维的厚沥青涂料涂料的溶剂是高质量的沥青, 石棉粉的含量≥30%。喷涂方法:可用气压喷涂, 或毛刷涂刷, 每次喷涂层厚7mm~8mm, 喷涂用量为1kg/m2左右。被喷涂物表面应特别干爽, 无油污。涂刷在废水浸泡或常水位以下部分的涵管。b) 沥青与煤油的拌和物涂料涂料沥青与煤油之配合比为54:46, 使用此涂料时应涂刷2遍, 使涂刷层总厚度达到0.4mm~0.5mm, 涂刷用量为0.6kg/m2。有条件时用喷枪喷涂, 效果更好, 涂刷部位与上述相同。

1.3.5 两侧及涵顶回填

涵管两侧回填采用级配良好的天然砂砾, 回填底宽度 (包含钢波纹管管径) 为8m, 采用1:1的坡进行回填, 砂砾回填高度到最大管径处, 然后进行土方回填, 压实度要求不小于96%;填筑前在涵管的两侧用红色油漆按每20cm高度标注进行回填, 回填时涵管的两侧应对称施工。为保证管底的回填质量, 钢波纹管涵顶部及周围20m范围内禁止强夯;涵管上方当回填土厚度超过30cm后, 采用压路机静压, 填土厚度超过60cm后, 采用压路机振压, 压实度不小于96%.钢波纹管涵回填没有达到最小填土高度时禁止一切重型车辆通行。对于锲形部回填, 回填材料采用C15砼。

2 钢波纹管涵施工优点

与以往修建钢筋砼拱涵相比较, 采用钢波纹管涵施工有以下优点:

2.1 钢波纹管涵施工操作简单, 现场无需大型设备, 拼装方法快捷可有效缩短施工周期。

2.2 钢波纹管涵安装时采用分片拼装技术, 不仅能方便涵管的装卸和运输而且现场施工也易于操控。

2.3 钢波纹管涵施工免除了砼浇筑、钢

筋焊接等工序, 对周边噪声污染较少, 而且舍弃了常规建材, 如水泥、砂、石子、木材等, 其环保意义深远。

2.4 涵管回填时, “楔形区”部位的压

实方法采用方形木棒初夯然后再使用小型机具斜向夯实, 确保了回填压实质量。

2.5 采用钢波纹管涵施工, 不仅施工速

度快, 而且钢波纹管适应的地质条件范围较广 (软土地基、寒冬地区、膨胀土地区均可采用) , 适应变形能力强。可在抢险救灾、处理突发事故中得到广泛的应用。

3 钢波纹管涵施工时的注意事项

3.1 所有用于连接的螺栓、螺母均应符

合《钢结构用高强度大六角螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件》中强度性能等级8.8以上规定。

3.2 卡箍和管之间采用石棉或橡胶密

封垫, 密封垫的宽度50mm~80mm, 厚度5mm~10mm。

3.3 螺栓连接时采用专用密封胶进行密封防渗及防锈。

3.4 钢波纹管涵出厂时, 必须附有产品质量合格证书, 出厂前进行必要的预拼装。

3.5 为保证连接螺栓扭矩的要求值, 在

回填前全面检查每个螺栓, 用扭力扳手测定扭矩, 确保每个螺栓扭矩满足要求。

3.6 现场施工应对局部的防腐涂层缺陷采取有效的补救措施。

3.7 涵管卸落和拼装起吊时要有专人负责指挥, 所有人员应听从指挥人员的安排、部署。

3.8 由于涵洞施工场地相对较为狭小,

因此机械操作手要严格按操作规程操作, 密切注意周围人员, 避免对施工人员造成伤亡。

4 结语

我公司在省道陵沁线西上庄至西河段公路工程涵洞施工中采用此方法, 工程质量和进度都受到业主的一致认可和好评。

钢波纹管涵因其施工工序简洁, 易于操控掌握, 并且施工速度快可大大缩短建设工期等优点, 势必将在公路涵洞修建方面发挥重要的作用。

钢波纹板 篇2

在波纹钢腹板桥梁的设计过程中,如何确定波纹钢腹板的形状,是设计中的关键问题之一。目前,在进行波纹钢腹板桥梁设计时,一般类比已有设计进行波型选择,然后再进行验算,这种做法设计概念不够明晰。表1为部分已建波纹钢腹板桥梁的波型参数,从中可见,一般跨度较大的桥梁,板厚较大,直板段长度较大,但也有一些例外;另一方面,波高、波折角与跨度的相关性则很不明显。因此有必要对此进行分析探讨。

考虑到波纹钢腹板的主要作用是承受桥跨结构的剪力,因此在选择波纹钢腹板时,首要原则是满足腹板的屈曲稳定要求和抗剪强度,即在桥梁最不利荷载布置时,保证波纹钢腹板中的应力小于临界应力。同时考虑到经济性,一个合理的设计应该是使波纹钢腹板在满足抗剪条件下,用钢量最低。此外,波纹钢腹板的波高确定还要考虑到腹板与顶、底板间的连接构造要求。结合这些条件,本文对波纹钢腹板的优化选择问题进行分析探讨。

2 波纹钢腹板屈曲稳定与剪切屈服临界状态

波纹钢腹板主要承受竖向剪力,一般有以下3种临界状态控制设计,它们分别为:(1)弹性局部剪切屈曲,见图1(a);(2)弹性整体剪切屈曲,见图1(b);(3)剪切屈服。

2.1 弹性局部剪切屈曲

梯型波纹钢腹板是目前最常用的腹板形式,如图2所示。

其弹性局部剪切屈曲应力可以由下式给出[1]:

式中:E、υ、a和w分别为钢腹板材料的杨氏模量、泊松比、最大直板段长度和板厚。对于一般采用混凝土翼缘的组合梁,局部屈曲系数k1是在板短边固定、长边简支的情况下得到的,计算公式如下[1]:

式中:h为波纹钢腹板的腹板高度。

2.2 弹性整体剪切屈曲

弹性整体剪切屈曲应力τge,Easley提出的计算公式如下[2]:

式中:a1、a2、H、θ分别为水平直板段长度、倾斜直板段长度、波高和波折角。Dx和Dy分别为单个波对平行于梁纵向的轴线和平行于梁高的轴线的抗弯刚度,。弹性整体屈曲系数依赖于边界条件,在36至68.4之间变化,对于组合梁,建议取平均值50[1]。

2.3 剪切屈服

由于波纹钢腹板的轴向刚度很小,因此可以认为波纹钢腹板只承受剪力,根据形状改变能密度理论,剪切屈服应力的计算公式如下:

式中:fy为腹板材料的屈服强度。

2.4 波纹钢腹板形状各参数的影响分析

一般在进行波型选择时,直板段长度与其稳定性直接相关,为此,在设计中一般尽量使波型中的水平直板段和倾斜直板段长度接近,故下文在进行相关分析时都假设两者相等,即a=a1=a2。由于剪切屈服强度只与材料强度有关,而与波纹钢腹板的形状无关,因此以下主要针对弹性局部剪切屈曲和弹性整体剪切屈曲进行讨论,取a=250 mm、θ=35°、h=1 500 mm、w=10 mm为基本参数,在对其中一个参数进行讨论时,其它参数保持不变。图3为波纹钢腹板形状各参数与弹性局部剪切屈曲和弹性整体剪切屈曲的关系。

从图3中可得到如下几点:

(1)随着板厚的增加,弹性局部剪切屈曲和弹性整体剪切屈曲的临界剪应力都明显增加,其中弹性整体剪切屈曲的临界剪应力增幅相对更大。此外,在板厚小于7~8 mm时,上述2种失效模式的临界剪应力都比较小,因此,建议一般选择大于8 mm的板厚。

(2)随着腹板高度的增加,弹性局部剪切屈曲的临界剪应力在经过一段明显的下降后趋于平缓,而弹性整体剪切屈曲的临界剪应力则持续下降,在高度大于6~7 m时,其数值变得非常小,常规波型已无法很好地满足抗剪强度,因此波纹钢腹板桥型在大跨度桥梁上的运用还有待进一步研究。

(3)随着直板段长度的增加,弹性局部剪切屈曲的临界剪应力不断下降,而与此相反,弹性整体剪切屈曲的临界剪应力则不断增加,因此,在选择直板段的长度时,一般宜在100~450 mm内进行选择。

(4)随着波折角的增加,弹性局部剪切屈曲的临界剪应力没有变化,弹性整体剪切屈曲的临界剪应力则不断增加。由于在波折角小于10°时,弹性整体剪切屈曲的临界剪应力很小,因此,一般使波折角大于10°。

3 波纹钢腹板的材料用量

由于波纹钢腹板的造价相对较高,因此在波纹钢腹板满足抗剪的条件下,应尽量减少材料用量,达到经济合理的目的。下面以单位长度用钢量为指标进行讨论,图4为波纹钢腹板的一个波长。

如图4所示,一个波长内的用钢量可用下式表示:

则单位长度内的用钢量可以表示为:

在满足抗剪强度的前提下,根据公式6)计算得到的单位长度内的用钢量Vu越小,波纹钢腹板的选择相对就越经济。

4 波纹钢腹板形状的选择方法及其步骤

由波纹钢腹板的屈曲与抗剪临界状态讨论可知,只要出现任何一种临界状态,就可以认为其已经达到极限状态。文献[3]研究并提出了一个耦合应力的概念,并用下式进行计算:

根据上述公式,可以得到波纹钢腹板的抗剪承载能力计算公式:

式中:τin为耦合应力;Fin是根据耦合应力τin得到的剪力;n为控制曲线过渡形状的指数,Elgaaly在文献[4]中建议偏于保守的取n=1。

在选择波纹钢腹板的形状时,首先假定直板段长度(a1=a2),利用公式(8)可以求得波折角θ与板厚w的关系,然后代入公式(6),将公式(6)中的波折角θ表示成板厚的函数,变化板厚来求得单位长度最小用钢量,即在假定的直板段长度下的最优波型。以下给出单位长度用钢量Vu的计算公式:

综上所述,选择波纹钢腹板形状的一般步骤如图5所示。

5 数例分析

利用上述方法,求解高度为1.5 m的波纹钢腹板在以下各竖向剪力情况下的最优波型。参数分析结果如表2及图6所示。

由上述分析可得到以下结论:

(1)在给定剪力水平下,直板段长度和波折角在变化的过程中会有一个最优值,如图6(a)、6(b)所示。

(2)在需要承担的剪力值发生变化时,以最小用钢量为目标,则板厚、直板段长度、波折角三者之间有着互相制约的关系。从图6(c)、6(d)可以看出,直板段长度与波折角之间有此消彼涨的互补关系,即需要相互调整以达到最优。

(3)如表2所示,在需承担的剪力增加时,波高呈增加趋势,但总体上比较小,为了加强与顶底板结合面的连接构造,可以在最优波型基础上适当增加波高。

6 结论

利用本文提出的方法在各种剪力情况下进行波型参数分析,可以发现在给定剪力水平下,直板段长度和波折角在变化过程中会有一个最优值;板厚、直板段长度、波折角三者之间有着互相制约的关系,需相互调整以达到最优。在满足稳定性及经济性要求的前提下,得到波纹钢腹板的最优形状之后,还需考虑腹板与顶底板结合面的连接构造要求,最终确定波纹钢腹板的形状。

参考文献

[1]A El Metwally,R E Loov.Corrugated steel webs for pre-stressed concrete girders[J].Materials and Structures,2003(36):127-134.

[2]Easley,J T.Buckling formulas for corrugated metal shear diaphragms[J].Journal of the Structural Division,ASCE101(ST7),1975:1403-1417.

[3]A,El Metwally.Prestressed composite girders with corrugated steel webs[D].Department of Civil Engineering,University of Calgary,Calgary,Canada,1999.

热轧花纹板钢卷外径计算模型研究 篇3

关键词：热轧,花纹板,外径计算

0前言

热轧花纹板表面美观且能增加摩擦,在建筑、造船、交通和机械制造行业中得到了广泛的应用[1,2,3]。花纹板不同于普通热轧卷,由于表面带有豆状花纹,其钢卷外径难以准确计算。当花纹卷外径计算过大时,助卷辊和卸卷小车预摆位置距离钢卷过大,会导致卷取抛钢时带尾打击助卷辊和卸卷小车,造成钢卷不能被卷紧,同时卸卷小车运行到与钢卷接触的时间增加,延长卸卷时间,影响了轧制节奏;当花纹卷外径计算过小时,助卷辊和卸卷小车预摆位置距离钢卷过小,会导致未卷取完毕的钢卷被助卷辊和卸卷小车卡住,造成卡钢事故。可见,花纹板钢卷外径计算精度过低时,轻则影响轧制节奏和卷形质量,重则导致卡钢事故。传统方法计算花纹板钢卷外径时,是将基板厚度与花纹豆高之和作为等效厚度,通过计算钢卷总长度推算钢卷外径,由于这种方法未考虑轧制过程中豆高的变化以及钢卷紧密度的变化,直径计算误差过大(误差可达到50 mm)。为了提高花纹板钢卷外径计算精度,本发明提出了一种热轧花纹板钢卷外径计算的新方法,以实测数据为依据,应用数据统计理论建立了钢卷紧密度的计算模型,根据钢卷紧密度计算钢卷外径,该方法计算精度在25 mm以内,远高于传统计算方法,可大大提高花纹板钢卷外径的计算精度。

1花纹板钢卷外径计算模型建立

1.1 花纹板钢卷外径计算基本公式

由于花纹板表面带有豆状花纹,其钢卷外径计算时不能与常规带钢一样根据体积不变原理计算,需引入一参数:紧密度,引入紧密度参数后花纹板钢卷外径计算公式为:

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式中,h为花纹板厚度;d(h)为第i个花纹卷外径;ti为花纹板紧密度;d0为卷筒直径;H0为板坯厚度;W0,W1为板坯宽度、成品宽度;L0为板坯长度。

根据式(1)可以看出,紧密度的精确计算是钢卷外径的关键,下面就紧密度计算建立模型。

1.2 紧密度计算模型建立

根据采集的花纹板卷径实际数据,利用勒让德多项式回归方法建立紧密度计算回归模型。根据式(1)花纹板的实测紧密度ti(i=1,2,...,N)计算方法如下:

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1.2.1 选择紧密度回归计算的基本模式

选择一次、二次、三次和四次勒让德多项式作为紧密度回归计算的基本模式,各次曲线表达式如下:

(a)一次勒让德多项式:

p1(y)=y

(b)二次勒让德多项式:

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(c)三次勒让德多项式:

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(d)四次勒让德多项式:

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1.2.2 回归系数计算方法

按照基于最小二乘原理的勒让德多项式回归分解法确定紧密度模型系数,即寻找一个函数P(yi),满足

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式中

P(y)=c0+c1p1(y)+c2p2(y)+c3p3(y)+c4p4(y)

这一问题可转化为求多元函数

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的极值问题。根据多元函数极值的必要条件,有

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若令

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则式(1)可写成

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写成矩阵形式为:

AC=B (3)

式中 C=[c0,c1,c2,c3,c4]T

B=[b0,b1,b2,b3,b4]T

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求解方程(3)得到C,此时C的值即是方程(2)的最优解,C中的元素ci(i=0,1,2,3,4)为紧密度计算模型系数。

1.2.3 确定紧密度计算模型

根据紧密度回归系数确定紧密度计算模型,紧密度t(h)计算公式如下:

t(h)=c0+c1p1(h)+c2p2(h)+c3p3(h)+c4p4(h)

1.2.4 确定紧密度计算流程

根据上述推导过程,花纹板钢卷外径的计算步骤如下:①采集热轧花纹板卷径数据(hi,di)(i=1,2,...,N),其中N为测量点数,hi为花纹板厚度,di为花纹板钢卷外径;②根据采集的花纹板卷径数据计算钢卷的实测紧密度ti(i=1,2,...,N);③根据花纹板厚度和紧密度数据建立紧密度计算模型;④根据紧密度计算模型计算花纹板钢卷外径。

图1为花纹板钢卷外径计算流程图。

2模型应用

通过本文提出的一种热轧花纹板钢卷外径计算模型,对某1 700 mm四辊热连轧机花纹板轧制数据为例进行了计算分析,板坯厚度为135 mm,卷筒直径为762 mm,钢种为Q235B。选取了19个典型花纹卷数据,成品厚度在3～8mm。通过计算,紧密度计算值与实际值对比结果如图2所示,同时确定了紧密度计算模型系数为:

C=[-0.33425,0.902168,-0.18475,0.015229,-0.00043]T

根据上述的紧密度计算模型系数,对实际生产8卷花纹板钢卷的直径进行了计算,结果如表1所示,可以看到钢卷外径计算值与实测值吻合较好,计算精度较高,满足了实际生产的需要。

3结论

本文采用基于最小二乘原理的勒让德多项式回归分解法准确计算花纹板钢卷外径计算的关键参数紧密度,从而建立了花纹板钢卷外径的计算模型。应用结果表明,该方法使克服了传统方法计算精度差而难以满足现场需要的缺点,显著提高了花纹卷外径计算精度,是一种行之有效的花纹卷外径计算方法,满足了热轧花纹板现场生产的需要。

参考文献

[1]吕敬东.扁豆形花纹板轧制工艺研究[J].浙江冶金,2005(3):22-25.

[2]王建钢,狄丽华,陈汝海.花纹板的研制与开发[J].包钢科技,2004,30(2):13-15.

钢波纹板 篇4

桃园煤矿北翼采区运输大巷位于72煤层底板40m~50m处, 平均法线距离45m, 82煤层底板20m~30m处, 平均法线距离21m, 巷道围岩岩性主要为砂岩或粉砂岩, 局部为页岩。在上覆工作面回采期间, 北二、北四运输大巷受采动影响较大, 巷道片帮、掉顶, U型棚支架变形严重;针对该种状况, 我矿于2011年7月对运输大巷补强加固方式进行调研, 研究决定对受上覆工作面采动影响的北四~北八运输大巷段进行超前补强加固;加固方式为:锚喷巷道采取全断面锚带网喷进行补强加固, U型棚支护段采取以围岩注浆为主, 补打注浆锚杆实施壁后充填和围岩注浆方式进行补强加固。U型棚支护段注浆补强加固工艺与2011年9月设计并进行实施。

2 锚注加固原理分析

锚注工艺是在锚杆支护作用原理的基础上发展起来的, 除具有悬吊作用、组合梁作用、挤压加固作用外, 还有充填粘结、密封作用等。利用锚管注浆, 浆液在注浆泵压力下被压入岩体, 将原来的软散岩体胶结成整体, 从而提高了岩体的刚度和全承载能力;另外注浆使锚杆由原来端锚变成全锚, 产生一定预应力, 将岩石组成一个紧密的组合拱, 从而进一步提高了围岩体的整体强度, 使围岩体的自身承载能力大大提高, 同时, 由于浆液的扩散作用, 组合拱半径增大, 能有效克服较大构造应力及岩层压力, 保持围岩自身的长期稳定。

3 注浆锚杆施工及注浆工艺

3.1 注浆锚杆参数及布置方式

3.1.1 注浆锚杆结构

注浆锚杆规格Φ22×2200mm, 采用中空波纹无缝钢管制作, 壁厚4mm, 杆体上顺序钻有Φ6mm注浆孔, 其结构如图1所示, 杆尾设麻花锚固段, 1个树脂锚固药卷端锚, 锚固力5t, 封孔采用快硬水泥药卷。

3.1.2 中空波纹注浆锚杆布置

中空波纹注浆锚杆全断面布置, U型棚棚档中顶布置一根, 然后向两侧布置, 间排距为1300×1500mm;共布置7根注浆锚杆。

3.2 注浆参数

3.2.1 水灰比

注浆材料是注浆技术中一个不可分割的部分, 浆液的可注性及其力学性能是决定注浆效果的关键因素, 注浆材料的成本及浆液消耗量的大小又决定了注浆加固技术经济上的合理性。因此, 注浆材料的选取是巷道注浆加固能否成功的先决条件。

注浆材料的选取主要考虑下列原则:浆液的结石体最终强度高;浆液结石率高, 与岩体具有良好的粘附性;浆液流动性好, 配比易调;浆液具有足够的稳定性;浆液成本低廉无毒无味。故注浆材料采用普通硅酸盐水泥加添加剂, 水泥采用525#普通硅酸盐水泥, 添加剂用量为水泥重量的4%~6%。浆液水灰比为0.7:1~1:1, 浆液配合比如表1所示。

3.2.2 水泥添加剂

为了增加水泥浆液的和易性、流动性、微膨胀性, 提高水泥浆液的结石率和锚注岩体的强度, 采用ACZ-1型水泥添加剂, 用量为水泥重量的4%~6%。

3.2.3 注浆量

对于巷道围岩的注浆, 其注浆效果的好坏, 关键取决于注浆参数的选择。

巷道围岩注浆效果的控制程度取决于施工队的经验及技术熟练程度。他们必须根据测得的注浆压力和浆液流速来选择注浆的顺序、是否变更或终止注浆过程。从成本最低的观点来看, 在注浆过程中, 进行有效的监控是十分必要的。

由于围岩裂隙发育, 松动范围的不均匀性和围岩岩性的差异, 围岩吸浆量差别较大, 所以本着既有效地加固围岩达到一定的扩散半径, 又要节省注浆材料和注浆时间的原则, 对于单孔而言, 为了保证合理的注浆量, 一是控制泵压, 在围岩内泵压达到3.0MPa时应停止注浆;二是根据相邻钻孔跑浆量来决定, 相邻钻孔一旦跑浆应停止注浆。为保证注浆质量, 插孔复注是非常必要的。根据近几年注浆实践, 每孔最大注入量每孔取为2袋水泥 (每袋水泥50kg) 。

3.2.4 注浆压力

注浆压力根据以往经验, 注浆压力为2.0~3.0MPa, 最大注浆压力为3.0MPa。

3.2.5 注浆时间

为了防止注浆在弱面浆液扩散较远, 造成跑漏现象, 在控制注浆压力和注浆量的同时, 必须控制注浆时间, 使注浆时间不宜过长。一般单孔注浆时间取为3~5min。

3.3 施工工艺

3.3.1 中空波纹注浆锚杆施工

首先对巷道内的U型棚支护情况进行排查, 敲帮问顶找净活矸危岩后, 对折帮漏顶的棚子进行重新腰背并对巷道进行全断面喷浆封闭, 喷浆厚度为50mm~100mm;喷浆结束后打注浆锚杆并进行安装注浆。

具体工序如下:对巷道敲帮问顶→对巷道失修位置进行修复→喷浆封闭→打注浆锚杆孔→安装注浆锚杆。

3.3.2 注浆工艺

具体工序:注底角注浆锚杆→注两帮注浆锚杆→注顶部注浆锚杆→复注 (根据观测结果确定是否复注及复注位置) 。

注浆时采用自下而上、左右顺序作业的方式, 每断面内注浆锚杆自下而上先注两帮, 再注顶板锚杆。注浆完毕后, 根据观测结果确定是否复注及复注位置, 主要是对初次注浆时, 注浆效果较差的个别孔或是水泥凝结硬化时产生的收缩变形部位, 通过复注可起到补注和加固作用, 从而易于保证施工质量。

注浆施工工艺流程主要包括三个方面:

(1) 运料与拌浆:即将水泥与水按规定水灰比拌制水泥浆, 注浆实施前加入定量增塑剂, 保证在注浆过程中不发生吸浆笼头堵塞等现象, 并根据需要调整浆液参数。

(2) 注浆泵的控制:根据巷道注浆变化情况, 即时开、停注浆泵, 并时刻注意观察注浆泵的注浆压力, 以免发生堵塞崩管现象。

(3) 孔口管路连接:应注意前方注浆情况, 及时发现漏浆、堵管等事故, 并掌握好注浆量及注浆压力, 及时拆除和清洗注浆阀门。

注浆施工工艺如图3所示。

3.3.3 保证措施

(1) 要保证注浆锚杆孔的设计间排距, 并要求垂直于岩面, 底角注浆锚杆下孔35°~45°, 要严格控制孔深, 使其与注浆锚杆长度配套。注浆锚杆尾部树脂药卷要搅拌均匀, 达到设计锚固力要求。

(2) 使用快硬水泥卷应按规程作业, 严格控制泡水时间, 并保证砸实以满足止浆强度。

(3) 浆液配比、水灰比和注浆终压应满足设计要求。

(4) 开机前应检查喷层和管路, 检查阀门是否完全开启, 管路接头要牢靠、严密、有效。

(5) 注浆作业应组成专门正规队伍, 注浆人员要经过培训, 考核合格后才能上岗。注浆机械应由专人负责, 有专人监读表头, 注浆时要加强信号联系, 保证注、停及时反应快速。

(6) 遇到漏浆时, 可暂停注浆, 采取措施封堵渗漏处, 几分钟后即可再注。

(7) 注浆的孔口阀应注浆后6h拆除, 可在第二班进行, 拆下的阀门要及时清洗干净, 然后抹上机油备用。

(8) 注浆人员注意劳动保护, 防止浆液材料烧伤眼睛或皮肤, 在正注的锚杆下方或前方严禁站人。

(9) 每班注浆完毕, 要及时清洗注浆泵及其管路, 及时维护。 (10) 注浆情况及参数应专人负责控制, 专人记录, 填写工作日志。

(11) 注浆锚杆间排距可根据实际扩散半径加以调整, 当注浆过程大面积达不到设计终压, 一般为浆液沿大裂隙定向扩散所致, 可加大增塑剂用量, 堵塞大通道, 并隔2~7天后, 打注浆锚杆复注, 以保证围岩浆液扩散均匀。

3.4 支护监测及效果检验

3.4.1 巷道围岩表面位移

巷道围岩表面位移测点, 按每个观测断面4个点布置, 共布置6组, 每周观测2~3次, 主要测试两帮及顶底的变形量。

巷道围岩表面位移测试测点布置如图4所示。

3.4.2 锚杆拉拔力检测

采用ML-20型锚杆拉力计抽取中空波纹注浆锚杆进行了拉拔试验。

3.4.3 效果检验

在运输大巷上覆工作面回采前, 由于对U型棚支护段采取了超前注浆加固技术进行补强, 通过观测数据可以看出受采动影响范围内的巷道在工作面回采期间、回采后与回采前巷道各项参数无较大变化;超前加固效果较好。

4 结语

钢波纹板 篇5

波纹钢腹板PC箱梁是一种新型的钢—混凝土组合结构, 其特点是利用波纹钢腹板来代替传统的钢筋混凝土的箱梁腹板, 并采用体外预应力钢索来协助腹板抵抗剪切作用, 这种结构更好地发挥了钢板的抗剪和混凝土抗压的优点, 提高了结构的抗剪能力和刚度, 在桥梁工程应用中可以实现主梁的轻型化, 有效地减少结构的工程数量, 提高桥梁的跨越能力;波形钢腹板可以在工厂统一生产, 在现场拼装, 与普通的现浇混凝土腹板相比, 大大地减少了钢筋、混凝土和模板工程量, 加快了施工进度, 避免了腹板混凝土开裂的问题, 耐久性能好;采用体外预应力体系能够削减腹板内预应力管道施工的复杂工序, 便于更换和维护, 在桥梁工程及建筑工程中应用日渐广泛。

本文归纳总结了波纹钢腹板挠度计算的相关理论, 分析其受力特性, 利用较为简单明了的计算方法, 采用ANSYS有限元软件进行数值计算和分析, 研究波纹钢腹板PC箱梁挠度的影响因素, 归纳总结出各参数影响的变化规律, 为波纹钢腹板组合桥梁的设计和施工提供一定的参考。

2 受力特性分析

根据虚功原理可知, 平面杆系结构在外荷载作用下的位移由三方面引起:轴向变形;弯曲变形;剪切变形。

2.1 轴向变形

波形钢腹板不抵抗轴向压力, 轴向变形引起的挠度:

$\text{f}{}_{\text{Ν}}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Ν}}\text{Ν}{}_{\text{Ρ}}}{\text{E}{}_{\text{C}}\text{A}{}_{\text{C}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

式中:$\overline{\text{Ν}}$—虚拟单位荷载产生的 轴向力;

NP—实际荷载产生的轴向力;

EC—混凝土弹性模量;

AC—混凝土顶板和底板的总面积。

2.2 弯曲变形

由于波纹钢腹板具有折叠效应, 其弯曲刚度一般忽略不计。 弯曲变形引起的挠度:

$\text{f}{}_{\text{Μ}}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Μ}}\text{Μ}{}_{\text{Ρ}}}{\text{E}{}_{\text{C}}\text{Ι}{}_{\text{z}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

式中:$\overline{\text{Μ}}$—虚拟单位荷载产生的轴向力;

MP—实际荷载产生的轴向力;

EC—混凝土弹性模量;

IC—混凝土顶板和底板的总面积。

2.3 剪切变形

在箱梁中, 混凝土腹板由剪切变形导致的挠度很小, 是可以忽略不计。但在波形钢腹板组合梁中, 由于波形钢板承载了绝大部分的剪力, 其抗剪刚度与对应的混凝土腹板箱梁相比, 还不到其10%, 说明波形钢腹板组合箱梁由于剪切变形产生的挠度比普通混凝土腹板箱梁剪切变形挠度大许多, 大概 10多倍, 因此不能忽略。另外, 波形钢腹板组合箱梁桥上、下混凝土翼缘板的剪切变形引起的挠度很小, 可以不考虑, 在此仅考虑波形腹板的剪切刚度。

从能量分析法的角度考虑, 适合各种边界和荷载工况, 利于编程实现。

取微段为研究对象, 由虚拟剪力做的功为:

$\overline{\text{Q}}\text{γ}{}_{\text{Ρ}}\text{d}\text{s}=\overline{\text{τ}}$dA·γPds=ds${\displaystyle {\int }_{\text{A}}\frac{\overline{\text{τ}\text{τ}{}_{\text{Ρ}}}}{\text{G}}}\text{d}\text{A}$

式中:$\overline{\text{τ}}$、$\overline{\text{Q}}$—分别为虚拟状态中微段上的剪应力和剪力;

τP、γPds—分别为实际状态时微段的变形和剪应力。

若按简化的剪应力分布, 假定剪力全部由波形钢腹板承担, 且沿梁高均匀分布, 则:

$\text{f}{}_{\text{Q}\text{简}}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Q}}\text{Q}{}_{\text{Ρ}}}{\text{G}{}_{\text{s}}\text{A}{}_{\text{w}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

而通过分析, 顶底板的剪切变形对挠度的影响很小, 可以忽略不计, 则:

$\text{f}{}_{\text{Q}}={\displaystyle \int (}{\displaystyle {\int }_{\text{A}{}_{\text{W}}}\frac{\overline{\text{τ}}\text{τ}{}_{\text{Ρ}}}{\text{G}{}_{\text{s}}}})\text{d}\text{s}={\displaystyle \sum \text{k}}{\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Q}}\text{Q}{}_{\text{Ρ}}}{4\text{Ι}{}_{\text{Ζ}}^2}\end{array}}\text{d}\text{s}$

因此, $\text{f}{}_{\text{Q}}=(\frac{\text{Q}{}_{\text{腹}}}{\text{Q}}){}^2{\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Q}}\text{Q}{}_{\text{Ρ}}}{\text{G}{}_{\text{s}}\text{A}{}_{\text{w}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

2.4 挠度计算

轴向变形引起的挠度是弯曲变形引起挠度的几百分之一, 因此这种变形引起的挠度是可忽略不计的。

由此可知, 挠度计算只考虑两部分即可:弯曲变形和剪切变形。波纹钢腹板组合箱梁弹性挠度计算公式如下:

f简$=\text{f}{}_{\text{Μ}}+\text{f}{}_{\text{Q}\text{简}}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Μ}}\text{Μ}{}_{\text{Ρ}}}{\text{E}{}_{\text{C}}\text{Ι}{}_{\text{z}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}+{\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Q}}\text{Q}{}_{\text{Ρ}}}{\text{G}{}_{\text{s}}\text{A}{}_{\text{w}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

若考虑顶底板剪切变形引起的挠度值, 则:

$\text{f}=\text{f}{}_{\text{Μ}}+\text{f}{}_{\text{Q}}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Μ}}\text{Μ}{}_{\text{Ρ}}}{\text{E}{}_{\text{C}}\text{Ι}{}_{\text{z}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}+(\frac{\text{Q}{}_{\text{腹}}}{\text{Q}}){}^2{\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Q}}\text{Q}{}_{\text{Ρ}}}{\text{G}{}_{\text{s}}\text{A}{}_{\text{w}}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

普通混凝土箱梁考虑剪切变形产生的挠度计算公式:

$\text{f}=\text{f}{}_{\text{Μ}}+\text{f}{}_{\text{Q}}={\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\frac{\overline{\text{Μ}}\text{Μ}{}_{\text{Ρ}}}{\text{E}\text{Ι}}\end{array}}}\text{d}\text{s}+{\displaystyle \sum {\displaystyle \int \begin{array}{c}\text{k}\frac{\overline{\text{Q}}\text{Q}{}_{\text{Ρ}}}{\text{G}\text{A}}\end{array}}}\text{d}\text{s}$

对比普通混凝土箱梁和波纹钢腹板箱梁挠度计算公式, 可知两者计算公式形式完全一致, 只有抗剪刚度和抗弯刚度的取值有所不同, 在实际设计中, 如需考虑顶底板的剪切变形引起的挠度, 可以考虑乘以修正系数$(\frac{\text{Q}{}_{\text{腹}}}{\text{Q}}){}^2$。

3 模型建立

本文以某高速公路上一座单箱单室的波纹钢腹板预应力组合简支箱梁桥为原型。主要参数:梁总长30m, 计算跨径29.36m, 波纹钢腹板板厚为2.8mm, 平板长度62.5mm, 弯折角度37°, 波高37.5mm, 采用Q345C优质钢, 弹性模量为ES=2.06×105MPa, 泊松比0.3。边界条件与实桥相同, 加载方式采用对称集中荷载。模型如图1所示。

4 挠度影响参数的计算分析

为了分析波纹钢腹板PC箱梁挠度的影响参数, 改变计算模型中的参数, 计算得出不同参数变化下挠度的变化规律, 并归纳出腹板厚、腹板弯折角、高跨比、横隔板间距对挠度影响的异同。

4.1 腹板厚

图2为波纹钢腹板PC箱梁在腹板厚分别为2.6mm、2.8mm及3.2 mm时, 在跨中集中荷载作用下箱梁底板跨中处荷载—挠度变化曲线。从图2中可看出梁在荷载作用下三条曲线变化趋势一致, 基本处于线弹性范围内, 随着腹板厚的增大, 挠度值略有减小, 但变化不大, 说明腹板板厚对梁体挠度的影响较小。

4.2 腹板弯折角

图3为波纹钢腹板PC箱梁在腹板弯折角分别为35°、45°及55°时, 在跨中集中荷载作用下箱梁底板跨中处的荷载—挠度变化曲线。由图 3可见, 跨中挠度随着弯折角的增大而有所减小, 基本上变化不大, 三条曲线变化趋势一致, 且梁在荷载作用下基本处于线弹性范围内, 说明腹板弯折角对梁体挠度的影响很小。

4.3 高跨比

保持梁高不变, 修改跨径尺寸, 对应高跨比分别为1/10、1/15、1/20、1/25、1/30, 计算在跨中作用一系列递增集中荷载, 跨中底板中心处的挠度值。图4为高跨比变化下的荷载—挠度曲线。由图4可知, 随着荷载的增加, 挠度值随高跨比的变化越大。当高跨比在1/10～1/20之间时, 三条曲线变化趋势一致, 但高跨比在1/25～1/30之间时, 挠度变化趋势有较大跳跃, 这说明高跨比对波纹钢腹板PC箱梁桥挠度变化有很大影响[3]。

4.4 横隔板间距

改变横隔板的间距, 分别建立沿梁纵向设1道中横隔板、3道中横隔板及5道中横隔板的模型, 在顶板跨中处分别施加50kN、100kN、150kN、200kN集中荷载, 得到跨中底板挠度值, 图5所示为横隔板间距变化下的荷载—挠度曲线。由图5可明显看出, 在相同边界、荷载条件下, 中横隔板间距越大, 数目越小, 相应梁的挠度也越小。可见横隔板能有效地增大梁的刚度, 进而减小梁的变形。增大梁刚度的方法除了可采用支座处增加抗扭约束外, 沿桥纵向设置适当数量、适当间距的横隔板也可有效提高梁的抗扭刚度。至于设多少横隔梁、多大间距是最合理的, 需要进一步研究探讨。

5 结论

本文以某高速公路上一座单箱单室的波纹钢腹板预应力组合简支箱梁桥为原型, 应用波纹钢腹板预应力箱梁挠度计算理论, 对其进行了进一步的分析, 采用ANSYS有限元分析软件, 建立模型, 分析波纹钢腹板预应力箱梁挠度的影响因素。通过改变影响参数值分别计算模型梁在各级荷载作用下跨中底板的挠度值, 绘制各参数相应的荷载—挠度曲线, 综合分析有限元数值计算结果可知:

(1) 波纹钢腹板预应力箱梁挠度计算中, 轴向变形产生的挠度可以忽略不计, 重点考察弯曲变形和剪切变形的影响;

(2) 波纹钢腹板预应力箱梁挠度的影响因素有腹板的波折角度、腹板厚、梁的高跨比和横隔板的间距。其中腹板的波折角度和腹板厚对波纹腹板组合箱梁挠度影响很小, 而梁的高跨比和横隔板的间距对挠度有明显影响。

(3) 波纹钢腹板预应力箱梁设计时, 可以通过合理设计横隔板数量和间距来控制其挠度变化, 而这一合理值的设定需要进一步研究。

参考文献

[1]蔡千典, 冉一元.波形钢腹板预应力结合箱梁结构特点的探讨[J].桥梁建设, 1994 (1) .

[2]袁明军.波形钢腹板预应力混凝土箱梁现场试验研究与分析[D].上海:同济大学土木工程学院, 2008.

高路基钢波纹管涵的计算分析 篇6

1. 1 背景

目前, 我国小型桥涵多采用钢筋混凝土结构, 随着我国对施工工期、环境保护的要求越来越高, 钢筋混凝土结构的劣势逐渐显现。而钢波纹管桥涵在施工工期、工程造价、环境保护等方面都具有不可比拟的优越性。因此, 研究钢波纹管桥涵的设计、施工理论具有重要的意义。

1. 2 适用条件

钢波纹管桥涵适用条件广泛, 具有重要的研究价值。

( 1) 适用于较差的地质条件

无须对地基进行特殊处理, 特别适合于软土, 膨胀土, 湿陷性黄土地区和地震多发地区。

( 2) 适用于煤矿采空区

由于地下采空造成地面工程不均匀沉降, 对一般钢筋混凝土结构物产生不同程度的破坏。钢波纹管是一种柔性结构, 具有横向补偿位移的优良特性, 可充分发挥钢材抗拉性能强、变形性能优越的特点, 具有较大的抗变形和抗沉降能力。

( 3) 适用于高寒地带

钢波纹管基础为砂砾垫层, 施工过程中无须用水, 施工不受高寒气候影响, 亦可解决反复冻胀问题。

( 4) 适用于特殊的折线涵洞

由于地形、地质等条件的限制, 实际工程中有时需要设置折线形涵洞, 波纹钢可以按照实际地形需要, 在工厂加工完成, 在现场顺应地势进行拼装。

( 5) 适用于高填土的山区公路

除此之外, 钢波纹管桥涵的应用打破了传统钢筋混凝土材料在小型桥涵结构的垄断, 它还具有造价低廉、施工便捷、工期短、耐久性强、保护环境等优点, 钢波纹管桥涵的推广应用是提高公路建设效率和服务水平的有效方式。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外应用现状

钢波纹管最早诞生于英国 ( 1784 年) , 1896 年美国率先进行波纹板通道、涵管的可行性研究, 并首次应用于涵洞, 1913 年首条波纹板涵洞被应用于英国苏格兰爱丁堡近邻的农田灌溉, 1923 年美国铁路工程协会在伊利诺斯州中央铁路进行波纹板通道的测试, 1929 年加拿大首座波纹管用于一煤矿中。1931 年澳大利亚首次建成一座8m汽车通道, 1990年《日本高速公路设计规范》制定了波纹管设计技术规范。随着波纹管在世界各地的安装使用, 证明这种结构具有较好的适用性。

从国外波纹钢管桥涵的应用情况看, 波纹钢管具有较强的适应能力。目前, 波纹钢管的防腐工艺已经较为成熟, 加工企业在工厂采取热浸镀锌防腐, 运至施工现场后, 再由施工单位进行二次防腐 ( 喷涂沥青) 。经过二次防腐处理后的波纹钢管完全能够满足规范要求的使用年限。

1. 3. 2 国内应用现状

我国在解放前及解放初期也曾应用过波纹管涵, 如50 年代修建青藏公路不冻泉段时曾将波纹管涵应用于抢修工程, 到70 年代开挖出时发现其使用状况良好。1965 年云南公路局在滇缅公路的大修中曾挖掘出一段钢质波纹管的过水涵管, 被证实为从美国进口, 在二次大战时期安装的。改革开放后, 深圳及大同媒矿均进口成品进行涵洞施工; 1998 年9 月在上海浦东高桥地区挖掘出一段直径为1m的过水波纹管涵洞, 被考证为1948 年安装, 用于当时的军事便道。由于诸多因素, 波纹管涵未能广泛得到使用, 至20 世纪90 年代末我国才逐步开展公路钢波纹管涵洞的应用及研究、生产。

1997 ~ 1999 年, 在青藏公路多年冻土地区成功地铺筑了3 道金属波纹管涵洞, 解决了多年冻土地区因融沉和冻胀而导致涵洞破坏的难题。2001 ~2002 年青海省在青康公路 ( 214 国道) 、二尕公路上应用钢波纹管涵洞近200 道, 2003 年内蒙古交通设计勘测公司首次在卓凉线对金属波纹管涵进行力学性能测验, 之后在内蒙古省际通道、国道207 线等许多条公路上广泛应用。2004 年在新疆、西藏、河北、山西等省份多条高等级公路上应用。河北段的青红高速、青银高速、津汕高速等公路也应用100 余道。上海在市政等工程中已经逐步研究应用椭圆形钢波纹管作为涵洞、通道。

迄今为止, 钢波纹管在国内部分省市已广泛推广应用, 但是国家尚未颁布波纹钢管桥涵的设计和施工规范, 仅在2010 年12 月由交通运输部发布了《公路涵洞通道用波纹钢管 ( 板) 》 ( JT/T791 - 2010) 行业标准。该标准仅对波纹钢管的术语、产品分类、技术要求、实验方法等做出规定。目前, 辽宁省已建和在建的项目中尚未采用这一结构形式, 笔者通过一个贵州省的工程实例, 总结一下高路基钢波纹管涵的计算分析过程。

2 工程实例

2. 1 主要计算参数

计算荷载采用公路- Ⅰ级车辆荷载。钢波纹管涵洞直径为4m, 波形参数380mm × 140mm × 76mm, 壁厚为7. 5mm, 管顶填土高度为32m。管壁面积As= 9. 246mm2/ mm, 惯性矩I = 25823. 709mm4/ mm, 土体容重 γ = 21k N/m3。钢板材质为Q345 弹性模量E= 2. 06 × 105MPa, 极限应力fc= 3. 45 × 108Pa。

2. 2 验算过程

2. 2. 1 设计荷载

设计荷载由管顶填土的横载和汽车活载组成。

(1) 土的恒载 (EL)

土的恒载为管顶的土柱荷载。土柱作用在管顶水平面上的压力:

式中:γ—土的容重, k N/m3;

H—管顶的填土高度, m;

EL—恒载压力, k Pa。

因此本项目恒载EL=Hγ=21×32=672k Pa。

(2) 汽车活载 (LL)

根据相关资料, 不同填土高度时, 加在管顶面的压力值计算结果如表1 所示。

表1 数据回归得到公式: y = 37. 406x- 1. 0908; R2= 0. 994

本项目管顶覆盖土厚32m, 公路Ⅰ级荷载形成的活载为:

2. 2. 2 管壁面积的计算

图1 中, Pv为总荷载k Pa, C为环向推力k N/m, S为跨径或直径m。

管壁面积A可通过管壁设计应力fy和容许应力fc相等得到, 其中考虑安全系数SF为2。

式中:A—管壁面积, mm2/mm;

SF—安全系数;

fy—容许强度, MPa。

因此最小管壁面积: A = 1345. 7 × 2 /345 =7. 8012mm2/ mm

本项目采用380 × 140mm, 波形厚度为7. 5mm壁厚的钢波纹板, 截面面积为9. 246mm2/ mm >7. 8012mm2/ mm, 满足要求。

2. 2. 3 钢板屈曲验算

为保证波纹钢板结构的稳定性, 按以下公式验算钢板的屈曲临界应力。

式中: fb—波纹钢板的屈曲临界应力, 单位为MPa;

Φt—抗力系数, 取0. 8;

fy—波纹钢板屈服强度, 单位为MPa, fy = 345MPa;

K—结构与周围土体相对弯曲强度系数;

R—结构的曲半径, 单位为mm, R=2000mm;

Re—等效半径, 单位为mm;

E—波纹钢板材料的弹性模量, 单位为MPa, 2. 1 × 105MPa;

r—波纹钢板材回转半径, 单位为mm;

计算K的系数λ

Em—土体弹性模量修正值;

Rc—拱顶处曲率半径, Rc=2140mm;

Es—土体弹性模量, Es=18MPa;

Fm—多跨结构屈曲应力折减系数;

S—多跨结构之间的间距, S=3m。

2000mm<11621.04723mm, R<Re应按以下公式验算钢板的屈曲临界应力。

fy=Q345MPa>fb=237.2438MPa, 满足要求。

2.2.4波纹钢板螺栓连接验算

2. 2. 4. 1 波纹钢板采用高强度螺栓连接

连接验算应符合GB50017 - 2003 的相关规定:

( 1) 螺栓的性能指标应符合GB /T1231 中强度性能等级10. 9 级以上的规定。

( 2) 螺栓螺母规格为M24, 螺栓长度宜为50 ~80mm。

( 3) 结构用高强度垫圈应符合GB /1231 的规定。

2. 2. 4. 2 钢波纹板件之间的连接

( 1) 相邻钢波纹板之间的连接采用搭接拼装, 并用高强度螺栓连接, 不得采用焊接。重叠部分边缘至最外边缘螺栓孔距离应大于55mm。

( 2) 钢波纹板件搭接拼装时, 沿涵洞轴向相邻板件必进行错缝栓接拼装。

( 3) 栓接拼装所用螺栓的预紧力偶矩应控制为340N·m ± 70N ·m。螺孔位置应避开最大应力集中处。

2.2.4.3高强度螺栓摩擦型连接验算

高强度螺栓的承载力设计值应按式计算:

式中: nf—传力摩擦面数目, 单剪时等于1, 双剪时等于2;

μ—摩擦面的抗滑系数;

P—一个高强度螺栓的预拉力。

连接强度SF的安全系数为2。高强度螺栓摩擦型连接验算公式: Sj = T ( SF) /Nbmin= 1345. 7 ×2 /162 = 16. 61 个螺栓。因此每延米至少17 螺栓, 可以满足要求。

2. 2. 5 弯曲应力计算

式中, s—跨径或直径, m;

r—回转半径, mm;

E—钢的弹性模量, 200 × 103MPa;

k—土壤系数, 良好级配压实度达到90% 时取0. 22;

fu—容许抗拉强度, 490MPa;

fc—弯曲应力, MPa。

弯曲应力fc= 489. 999MPa > 容许强度fy=345MPa, 因此无需重新计算截面面积。

2. 2. 6 施工刚度要求

钢波纹管应具有足够的刚度以抵抗施工过程中运输、吊装、安装等受力。施工刚度采用柔度系数FF确定。

式中:E—弹性模量, E=206×103MPa;

S—直径或跨径, mm;

I—壁的惯性矩, mm4/ mm。

根据美国材料协会ASTM相关技术规范要求FF不超过0. 114mm / N。因此本项目

FF = S2/ EI = 4000 × 4000 /206 /1000 /25853. 709= 0. 003 < 0. 114, 满足要求。

2. 2. 7 结论

经上述计算分析可知:直径4m, 波形参数为380mm×140mm×76mm、壁厚7.5mm的Q345钢波纹涵管满足填土高度为32m的高路基公路使用要求。

3结语

综上所述, 笔者以一个具体算例介绍了高路基钢波纹管涵的验算过程。我国到目前为止并未颁布相关的设计规范, 笔者建议计算时可以适当提高各公式中的安全系数或增加恒载和活载的组合系数。

摘要：简要介绍钢波纹管桥涵的历史, 针对一座高路基钢波纹管涵的实际情况, 对其进行受力分析并进行验算, 以校核结构是否满足使用要求。

谈钢波纹管涵的施工技术 篇7

钢波纹管涵是一种柔性结构, 其主要被埋于公路以及铁路的表层之下, 相当于涵洞的效果。钢波纹管涵是通过波形钢板进行卷压处理得到的钢结构管。具有管节薄、重量轻、便于运输存放、 施工工艺简单、现场安装方便快捷、工期短等特点, 很好的解决了北方寒冷地区霜冻对桥梁和管涵的结构破坏问题, 能够明显的防止桥梁、道路中出现错台问题, 在行车过程中更加的安全。其使用之后还可以和其附近的土壤之间形成相对稳定的组合结构。 工程造价低于同类型的桥梁、涵洞, 建成后营运养护成本低。

按组装方式分钢波纹管涵有整装波纹和拼装波纹管涵两种。 按形状分钢波纹管涵有圆形、椭圆形、拱形三种。圆形应用的比较广泛。按连接方式分类, 有内法兰连接、外法兰连接、板片搭接和卡箍连接四类。按加工方法分类, 有钢带辊压推进螺旋卷曲成圆连线焊接、咬接成型螺旋钢管、制管压制波纹两步法波纹管。

2钢波纹管涵的工程应用

神河高速公路是山西高速网第三横灵河高速公路的重要组成部分, 该线总长99 km, 地处神池五寨偏关河曲四县境内, 沿线都是典型黄土高原地貌, 沟壑纵横, 部分地段煤矿资源丰富, 每天往返运煤车辆非常多。该路段设计高填深挖, 高墩大桥比较多。

2011年神河高速开工建设, 2014年建成通车, 我项目部承建神河高速公路路基总六分部四处使用了钢波纹管涵, 共计总长度342 m。洞口处的外形呈现“八”字样式, 孔径长为3 m, 采取的管涵厚度为6. 5 mm, 路基的垫层高度是1. 5 m, 所用的材料为砂砾。 在垫层施工时, 对其进行压实作业, 以确保压实度大于95% , 填土高度达30 m以上, 该产品质量保证期50年, 工程造价每延米19 012元。从该工程施工完通车运行情况看, 钢波纹管涵完全能达到设计要求, 无后遗症。

3钢波纹管涵施工技术要点

3. 1基础方面施工要点

按照施工设计中的相关规定, 首先要确定所安装的管涵走向与位置。同时, 也应先将边桩安置妥当, 并将白灰线标记清晰, 方可实施基坑挖掘作业。当基坑施工到相应的标高处, 要对其尺寸、高度等各方面性能指标进行测量, 只有全部达到设计要求时, 才能够继续施工。

所以, 基坑开挖后若为优质土, 可严格夯实。压实度符合要求后, 将管涵直接置于地基上; 若为一般土质, 则采用碎石土或砂砾填筑, 经夯实且压实度符合要求后, 进行管节安装; 若为岩石地基, 应挖除部分岩石, 换填优质土或碎石土或砂砾土。

3. 2预留拱度施工要点

在长期的使用过程中, 钢波纹管涵易发生下沉问题。所出现的下沉大多是其中间位置下沉量大, 而在其两端位置下沉量小。 所以, 在进行钢波纹管涵的安装施工过程中, 应当预留一定的拱度。所预留拱度的大小, 应当依照施工地点的土质地基所产生的下沉大小而定。一般情况下, 当拱度达到总管长的0. 2% ~ 1% 之间, 就能有效的避免管发生凹凸变化问题。

3. 3管涵安装施工要点

1) 准备工作。准备并检查安装工具及所需配件: 气泵、发电机、吊带、脚手架、16 ~ 18的梅花扳手、22 ~ 24的梅花扳手、活口扳手、小撬棍、手锤、凿子、螺丝刀、千斤顶、螺丝、橡胶石棉垫、绑丝。

2) 安放施工。按照涵洞施工的状况, 科学地进行管涵的安放作业。在进行安装过程中, 应在其一侧安放第一根管节, 让所安放的管涵中心线与基础的中向中心线处于平衡位置, 并保证紧邻的不同管涵之间相隔4 cm左右, 使其上面所带有的螺孔相对应, 此时再将管涵进行平移, 使其与另一根保持2 cm左右的距离。然后将螺栓穿于管涵之上, 并向其镶嵌石棉垫。最后, 依次完成后续管涵的安装工作。

3) 间距的处理。受到施工地势的影响, 会使紧邻的法兰出现相对小的间隔, 此时应当采用一定的工具, 在法兰之间开一个1 cm左右的裂缝, 要把石棉垫镶嵌至结合面处。如果遇到顶间距过大的问题, 此时会导致不易进行石棉垫的镶嵌工作, 应采取绑丝将其固定于相应的螺栓之上, 并采用人工的方式对其进行锁紧处理。

4) 位置的校准。采取千斤顶来对相应的管涵进行校正处理, 让其位于设计的位置处。

5) 节点的检测。在施工过程中应当注意, 要使管涵和垫层能够紧密接触并保证其所受到的力处于平衡状态。在管涵施工完毕时, 要对其所有的节点进行检测, 确保其达到相应的标准与设计要求。

3. 4管壁四周回填施工要点

1) 回填材料的选用。应当选取级配合理的砂砾进行回填作业, 这样才可以确保施工品质。在施工过程中, 应保持不同的侧面同时施工, 并采取分层的方式进行。然后, 进行压实处理, 保证压实度在95% 以上。在施工完成后进行检测, 达到要求之后才能进行下步施工。

2) 楔部位的处理。管涵所涉及的楔部位尤为关键, 要对其进行夯实处理。

3) 回填土的处理。管涵两边附近的回填土要进行压实处理。 在其两侧30 cm左右的位置, 可使用相对小的压实设备, 避免对管造成不必要的破坏。不过要确保其压实度不小于95% 。

4) 小直径钢波纹管涵的回填处理。当管涵的直径在3 m以内时, 回填土的厚度要在50 cm以上。回填施工时, 如果回填的高度超出了管涵高度30 cm时, 应对回填土进行夯实处理, 并保证表面的平整度, 再进行第二层回填, 当其厚度达到50 cm时, 再进行夯实作业, 同样也要保证其表面的平整性。

5) 大直径钢波纹管涵的回填处理。当管涵的直径在3 m以上时, 回填土的厚度要在80 cm ~ 150 cm之上。如果回填土的厚度未超出管涵高度的50 cm范围, 要使用不大于6 t的压路机进行静压处理。在其厚度达到150 cm时, 才能够使用20 t的压路机进行振压处理。

6) 钢波纹管涵上方的载荷要求。如果在管涵之上的回填土未超过要求的厚度情况下, 不允许任何的重型车辆行驶其上。在其附近的20 m距离之内, 禁止进行强夯作业。

3. 5洞口铺砌要点

在其洞口进行铺设时, 可以采取端墙的方法, 也能够采取和路基保持一致坡的方法, 在其铺设时, 用标号为M7. 5的砂浆砌片进行施工, 要采取不同大小的砌片进行交错的铺设, 让其形成相应的错缝, 切不可有通缝产生。而在外露部分要采用相对细致、 无色差、无裂缝的、一些相对尺寸大的石块铺设, 以保证其表面的光滑与美观。

4结语

随着经济与科技的持续发展, 加之钢波纹管涵所拥有的良好散热特性、抗应变特性、成本低廉、工艺简便等优势, 定会越来越广泛地应用于实际施工中。从大量的应用过程中可以看出, 采取钢波纹管涵来完成涵洞的建设, 可以有效的减少工期长度、节约工程成本、利于环境保护等, 对于社会与经济均具有非常好的效益。同时, 相关人员还应当不断的创新方法, 遇到问题要敢想、敢做, 通过科学的分析与实践, 不断的促进钢波纹管涵施工的发展与进步。

摘要：以神河高速公路为例, 从基础、预留拱度、管涵安装、洞口铺砌等方面, 阐述了钢波纹管涵施工要点, 指出钢波纹管涵具有管节薄、重量轻、便于存放等优点, 能够防止桥梁道路中错台现象的发生。

关键词：钢波纹管涵,预留拱度,回填处理,洞口

参考文献

[1]李琦.浅析钢波纹管涵施工技术及施工优点[J].建筑工程技术与设计, 2015 (13) :49-53.

[2]牟燕波.浅析钢波纹管涵在公路中的应用[J].城市建设理论研究, 2012 (9) :135-138.