高等级公路钢筋砼圆管涵受力状态研究与试验

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1、高等级公路钢筋砼圆管涵受力状态研究与试验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φ1.5m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

2、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。本文对正在建设中的某条高速公路选取φ1.5m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

3、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

4、（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φ1.5m圆管涵不同的填土高度、不同的配筋形式，将φ1.5m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

5、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)maxminMaxminφ1.56＜H＜8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1.17-1.733.37-13.384＜H＜6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0.87-1.312.55-10.280.5＜H＜4设计荷载考虑竖向荷载作用下1.79-1.907.2

6、2-11.56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φ1.5m，填土高分别为≤4m、≤6m、≤8m各一节进行荷载试验。试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

7、相当（测点及试验加载布置详见图2所示）。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。　　　　　　φ1.5m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）φ1.56＜H≤83.4944.64＜H≤62.6633.80.5＜H≤41.7922.42.2试验数据分析2.2.1填土高6＜H≤8m钢筋砼圆管涵试验数据分析。　　　　φ1.5m填土高6＜H≤8m圆管涵试验数据分析表表3试验加载力Ps（KN）1020

8、304050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(η)0.6540.9170.9450.9580.928管侧外缘实测值(MPa)0.190.721.151.581.82理论值(MP