卓金管件有限公司波纹钢管加固钢筋混凝土圆管涵有限元分析——文献学习体会
文献概况与技术背景
本文发表于《河南城建学院学报》2020年第29卷第6期，由五峰土家族自治县农村公路管理所唐杨、温州市交通规划设计研究院王大为、中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司林锦霞完成。研究以某钢筋混凝土圆管涵为工程背景，采用Midas FEA建立波纹钢管加固钢筋混凝土圆管涵的非线性有限元模型，对比分析加固前后的加固效果。
圆管涵是公路、铁路和市政工程中常见的排水构筑物，长期服役后常出现混凝土开裂、钢筋锈蚀、结构变形等问题。采用波纹钢管加固是一种有效的结构补强方法，波纹钢管的高刚度和良好的变形协调能力使其成为圆管涵加固的理想材料。
有限元模型与加固效果分析
研究采用Midas FEA建立非线性有限元模型，考虑了材料非线性（混凝土开裂和压碎）、几何非线性和接触非线性，对比分析了加固前后的变形、应力、裂缝宽度和接触力等指标。
| 分析指标 | 加固前 | 加固后 | 变化趋势 |
|---|---|---|---|
| 变形 | 较大 | 显著下降 | 刚度提高 |
| 应力 | 较高 | 显著下降 | 应力重分布 |
| 裂缝宽度 | 较大 | 显著下降 | 裂缝受控 |
| 接触力 | 较低 | 有所上升 | 界面传力增强 |
| 波纹钢管应力 | — | 低于屈服强度 | 安全储备充足 |
| 注浆部分混凝土 | — | 达到抗拉强度标准值，出现少量裂缝 | 裂缝宽度较小 |
研究结果表明，采用波纹钢管加固后，钢筋混凝土圆管涵的变形、应力、裂缝宽度均有显著下降，土与钢筋混凝土圆管涵的接触力有所上升，表明加固后圆管涵的刚度有一定程度的提高。波纹钢管的应力值低于钢材的屈服强度，说明加固方案具有合理的安全储备。注浆部分混凝土达到抗拉强度标准值并出现少量裂缝，建议注浆部分采用较高强度等级的混凝土。此外，加固时的卸载程度越大，加固效果越好。
从钢管制造的角度来看，波纹钢管的制造涉及以下关键工艺环节：
- 波纹成型工艺：波纹钢管通常采用冷弯成型工艺，在钢管表面形成规则的波纹形状。波纹的几何参数（波高、波长、波幅）直接影响钢管的刚度特性和变形协调能力。根据ASTM A641和EN 10219的要求，波纹钢管的波纹形状应均匀一致，波纹高度偏差应在±10%以内。
- 材料选择：波纹钢管的常用材质包括Q235、Q345等碳素结构钢和低合金结构钢。对于加固工程，应根据圆管涵的腐蚀环境和荷载要求选择合适的材质等级。在腐蚀环境中，建议采用热浸镀锌波纹钢管或不锈钢波纹钢管。
- 焊接连接：波纹钢管与圆管涵的连接通常采用焊接方式，焊接方法包括SMAW（手工电弧焊）、FCAW（药芯弧焊）等。焊接接头应进行100% MT（磁粉检测）和PT（渗透检测），必要时进行UT检测。
- 防腐处理：波纹钢管在加固工程中长期处于地下或潮湿环境中，防腐处理至关重要。建议采用热浸镀锌（Zn≥80μm）或环氧煤沥青涂层，涂层厚度不小于300μm。
加固工艺与质量控制要点
波纹钢管加固钢筋混凝土圆管涵的施工工艺通常包括以下步骤：
- 原结构检测与评估：采用RT、UT、MT等方法检测圆管涵的混凝土缺陷和钢筋锈蚀情况，评估结构现状和加固需求。
- 原结构表面处理：清除混凝土表面的松散层、锈蚀钢筋和污染物，露出坚实的混凝土基面。对于严重锈蚀的钢筋，应进行除锈和阻锈处理。
- 波纹钢管安装：将波纹钢管按照设计位置安装到圆管涵外部，采用钢支架或焊接方式固定。安装过程中应确保波纹钢管与原结构的贴合度，间隙不大于5mm。
- 注浆加固：在波纹钢管与原结构之间的间隙内灌注高强无收缩灌浆料或微膨胀混凝土，填充密实。注浆压力应控制在0.5~1.0MPa，避免过大压力导致原结构开裂。
- 焊接连接与防腐：将波纹钢管与锚固件焊接连接，焊缝进行无损检测合格后进行防腐处理。
从焊接质量控制的角度来看，波纹钢管加固工程中的焊接作业具有以下特点：
- 焊接位置复杂：波纹钢管表面的波纹形状使得焊接操作空间受限，特别是波谷位置的焊接难度较大。
- 焊接变形控制：波纹钢管的波纹结构对焊接变形敏感，焊接顺序和焊接参数需要优化，以避免波纹变形。
- 焊缝检测困难：波纹形状使得常规UT检测困难，建议采用TOFD或PAUT等先进检测方法。
- 热影响区控制：波纹钢管壁厚通常较薄（3~8mm），焊接热输入应严格控制，避免热影响区过热导致材料性能下降。
工程实践反思与技术建议
从钢管制造与焊接工艺的角度来看，波纹钢管加固圆管涵是一种经济有效的结构补强方法，但在工程实践中仍需关注以下问题：
第一，波纹钢管的制造精度直接影响加固效果。波纹的几何参数偏差会导致钢管刚度不均匀，影响加固后的应力分布。建议波纹钢管制造过程中加强过程控制，每批产品进行波纹几何参数的抽检。
第二，注浆部分混凝土的强度等级选择应合理。本文试验结果表明，注浆部分混凝土达到抗拉强度标准值并出现少量裂缝，建议在实际工程中采用C40及以上强度等级的微膨胀混凝土，以提高注浆部分的抗裂性能。
第三，加固时的卸载程度对加固效果影响显著。本文指出卸载程度越大，加固效果越好。在实际工程中，卸载通常通过临时支撑或卸载梁实现，卸载程度的确定应结合结构现状评估和加固设计要求。
第四，波纹钢管与原结构的界面粘结是加固效果的关键。建议采用界面增强剂处理原结构表面，并在波纹钢管表面设置抗剪键，提高界面粘结强度。
总体而言，本文在波纹钢管加固钢筋混凝土圆管涵的有限元分析方面取得了有意义的成果，为工程实践提供了理论指导。对于从事钢管制造和焊接工艺的技术人员而言，理解波纹钢管的制造特点、焊接工艺要求和加固质量控制要点，将有助于提升加固工程的实施质量和结构安全水平。