【项目名称】季冻区波纹钢管涵洞设计与施工技术指南
【立项背景】
目前，我国季冻区涵洞主要采用钢筋混凝土的结构形式，由于季节性冻融和地基的不均匀变形，导致混凝土和圬工结构出现裂缝或管体断裂等病害，路面结构出现严重变形，影响了道路正常行车安全。从材料与结构和功能的本质关系上分析，采用柔性、高强度的钢波纹管涵洞，不仅具有适应地基与基础变形的能力，可以解决因地基基础不均匀沉降导致的涵洞破坏问题；而且钢波纹管涵洞由于轴向波纹的存在使其具有优良的受力特征，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效应，更好地发挥钢结构的优势。研究表明：波纹管具有轴向补偿位移的功能、钢波纹管涵洞施工过程中对地基扰动小，有利于保持原状路基的水热平衡，特别是保护多年冻土地区的路基工作环境。此外，钢波纹管具有典型的空间薄壳钢结构特性，空间结构是指结构的形态呈三维受力并呈空间工作的结构，具有空间结构的优势，可以适应大变形环境。在缺乏砂石材料地区或地基承载力较低的特殊岩土地区，如多年冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土等地区，一般情况下，钢筋混凝土圆管涵或盖板涵在使用过程中均出现不同程度的损坏，较严重的病害为地基或基础不均匀沉降导致涵洞破坏。这些地区钢筋混凝土圆管涵或盖板涵的使用寿命有时低于20年。而应用钢波纹管涵洞则可以较好地解决因地基变形导致的涵洞破坏，同时可以减小路面因地基沉降引起的局部应力集中。所以，波纹钢管涵洞作为柔性结构，有利于改善软土地基结构物与路堤交界处的“错台”现象，提高行车的舒适度与安全性。
【主要研究内容】
本研究结合季冻区公路波纹钢管涵洞的应用要求，在调研季冻地区波纹钢管涵洞设计施工经验和运营中出现的问题及其处治对策的基础上，提高公路建设效率和使用质量，主要针对钢波纹管涵洞在季节性冻土区的应用，展开了以下方面的研究内容。
⑴ 波纹钢管涵洞尺寸规格分级、涵管壁厚优化设计研究。
①依据涵洞地基基础状况、水流特征、管上填土高度和行车荷载等因素，对公路涵洞进行分类，初步确定不同公路等级下波纹钢管涵洞孔径和壁厚；
②针对每种分类情况进行受力分析和有限元模拟计算，实现管壁厚度的优化设计，根据涵管应力分布情况采用管壁变厚度设计，根据工厂实际生产情况选择合理的管壁变厚度实现方式，如直接生产变厚钢板、加肋或局部贴钢板等；
③考虑波纹钢管腐蚀速度、涵管疲劳特性等因素确定安全系数，根据涵洞使用年限确定生产时波纹钢管壁厚；
④依据涵洞的设计荷载和受力特点确定涵管标准化构件的设计标准。
⑵ 波纹钢管固定形式研究
对沟底纵坡较大冲刷严重的沟渠、水位高和易冻胀的地区的涵管严重移位现象进行调查研究，制定可靠的涵管固定形式。
⑶ 波纹钢管涵洞施工工艺、养护措施研究
对波纹钢管涵洞整个施工过程中涵管运输、涵洞基础施工、涵管的安装进行实体工程的试验研究，对波纹钢管涵洞进行养护对策的研究。
⑷ 修筑波纹钢管涵洞实体工程，进行观测验证相关研究结果。
【主要研究成果】
在对国内外波纹钢管应用现状调研的基础上，本项目通过波纹钢管涵洞受力特性理论研究和实体工程实例，系统研究了波纹钢管涵洞分析计算方法、设计关键指标、超载作用下波纹钢管涵洞的填土高度、腐蚀机理及防腐技术措施、施工工艺及施工关键技术，主要得出以下结论：
（1）在对河北、内蒙和吉林等省份多道波纹钢管涵洞使用现状调查分析的基础上，依据波纹钢管涵洞常见病害形式和产生机理，分析了波纹钢管涵洞在吉林省应用的适用性和使用条件。
（2）基于板壳有限元理论总结提出了公路波纹钢管涵洞计算理论方法，确定了汽车荷载的布设原则，提出了孔径、波形、壁厚、填土高度等关键设计指标的确定方法，为波纹钢管涵洞设计提供了依据。
（3）分析了不同超载程度对波纹钢管涵洞应力及变形的影响，提出了不同安全系数条件下超载80%时不同填土高度和孔径对应管壁厚度的推荐值，可供设计和维修养护时取用。
（4）分析了波纹钢管不同介质腐蚀机理、腐蚀影响因素和易腐蚀部位，在总结国内外常用的防腐方法的基础上，提出了不同腐蚀环境下的防腐设计方案。
（5）通过修筑波纹钢管涵洞实体验证工程，总结提出了波纹钢管涵洞施工工艺、施工关键控制技术、涵管现场安装关键技术和质量检验标准，对实体试验工程现场检测和跟踪观测结果表明，波纹钢管涵洞能够适应吉林省特殊气候和荷载条件，具有广泛推广应用的价值。
（6）综合项目研究成果，并通过总结提升，编制了《波纹钢管涵洞设计与施工技术指南》，为吉林省公路波纹钢管涵洞设计、施工及维修处治提供了技术依据。
