公路鋼波紋板拱橋受力特征分析

胡濱， 梁養(yǎng)輝， 劉百來(lái)， 劉輝民， 竇艷寧

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710075； 2.西安工業(yè)大學(xué))

1 概述

鋼波紋板拱橋在中國(guó)應(yīng)用很少，特別是低填土條件下10 m跨徑及以上的鋼波紋板拱橋應(yīng)用極為罕見(jiàn)，但這種橋梁不僅解決了現(xiàn)場(chǎng)施工難度系數(shù)高、傳統(tǒng)拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，而且有效地降低了路基填方高度、減少了基礎(chǔ)的特殊處理工作，是拱橋工程的一項(xiàng)重大創(chuàng)新。

采用鋼波紋板拱橋代替混凝土拱橋，一方面由于鋼波紋板縱向和軸向波紋同時(shí)受力，可減小應(yīng)力集中現(xiàn)象；另一方面，可節(jié)約造價(jià)、縮短工期、有利于環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。因此，很有必要對(duì)鋼波紋板拱橋進(jìn)行研究，以促進(jìn)鋼波紋板結(jié)構(gòu)在公路工程中的應(yīng)用。

該文依托試驗(yàn)工程，測(cè)試不同工況下不同跨徑(6、8、10m)鋼波紋板拱橋的受力和變形特征，以確保在施工和運(yùn)營(yíng)期間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，并起到指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的作用。

2 依托工程概況

不同跨徑鋼波紋板拱橋上部均采用鋼波紋板拼裝結(jié)構(gòu)，下部采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)表1。

表1 不同跨徑鋼波紋板拱橋結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)方案

3.1 鋼波紋板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片布置

跨徑6、8、10 m鋼波紋板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片均按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°、120°、135°、150°、165°、180°間隔15°均勻布置。如圖1所示。

圖1 應(yīng)變片布設(shè)示意圖(D為波紋鋼板拱橋

3.2 測(cè)試工況

分別對(duì)跨徑6、8和10 m的鋼波紋板拱橋進(jìn)行車輛荷載作用下應(yīng)力變化的測(cè)試，不同跨徑鋼波紋板拱橋均分為4種測(cè)試工況，如圖2所示。

圖2 加載車輛位置示意圖(單位：m)

4 鋼波紋板拱橋受力規(guī)律分析

4.1 跨徑6 m鋼波紋板拱橋受力規(guī)律分析

(1)荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰受力規(guī)律(圖3)

圖3 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰應(yīng)力變化規(guī)律

由圖3可以看出：① 車輛沿路線行駛時(shí)，各工況下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰變化規(guī)律一致。除拱橋拱腳附近(0°、180°)位置外，波峰斷面的應(yīng)變值整體較為接近，在相同荷載條件下，同一斷面的各測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力值基本為恒值；② 填土至路基頂未加荷載及不同荷載作用下，拱橋不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化規(guī)律一致，說(shuō)明鋼波紋板拱橋與周圍土體共同受力，拱頂4 m的填土抵消了一部分汽車荷載作用力，也進(jìn)一步證明了鋼波紋板拱橋由于波紋的存在，波紋與周圍土體連接得更緊密，整體受力更為優(yōu)越；③ 各種工況下，鋼波紋板拱橋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均以拱頂位置(90°)對(duì)稱分布，拱腳位置(0°和180°)受力要遠(yuǎn)大于其他位置(約為3倍)，但最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋼波紋板材料的允許應(yīng)力值(156.7 MPa)，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。為了進(jìn)一步確保鋼波紋板拱橋整體穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加鋼波紋板橋拱腳與基礎(chǔ)混凝土的連接強(qiáng)度，同時(shí)施工時(shí)應(yīng)對(duì)拱腳進(jìn)行觀測(cè)，以確保施工質(zhì)量。

(2) 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷受力規(guī)律(圖4)

圖4 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷應(yīng)力變化規(guī)律

由圖4可以看出：① 車輛沿路線行駛時(shí)，各工況下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷應(yīng)力變化規(guī)律一致。不同工況下，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值以拱頂位置(90°)對(duì)稱分布，總體上變化規(guī)律為0°(拱腳位置)→15°增大，30°→75°逐漸減小，后90°(拱頂)略微增大；105°→165°逐漸增大，180°略微減?。虎?在不同工況下，總體上拱腳位置附近(15°和165°)受力最大，拱頂位置附近(75°和105°)受力最小，最大應(yīng)力約為最小應(yīng)力的5倍，最大應(yīng)力值約為55 MPa；③ 拱頂90°在周圍應(yīng)力逐漸減小的趨勢(shì)下反而略微增加，這可能是車輛荷載垂直向下壓力作用和周圍土體對(duì)拱橋產(chǎn)生向上擠壓力共同作用產(chǎn)生的。

4.2 跨徑8 m鋼波紋板拱橋受力規(guī)律分析

(1) 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰受力規(guī)律(圖5)

圖5 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰應(yīng)力變化規(guī)律

由圖5可以看出：① 車輛沿鋼波紋板拱橋行駛時(shí)，各工況下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰變化規(guī)律一致。鋼波紋板拱橋應(yīng)力均以拱頂位置(90°)對(duì)稱分布，拱腳位置(0°和180°)受力要遠(yuǎn)大于其他位置；② 總體上在拱腳位置附近(0°和180°)和拱頂位置附近(90°)應(yīng)力變化較大，其他位置較為平穩(wěn)。

(2) 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷受力規(guī)律(圖6)

圖6 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷應(yīng)力變化規(guī)律

由圖6可知：荷載作用下，總體上鋼波紋板拱橋各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力均以拱頂位置(90°)對(duì)稱分布，0°→90°逐漸減小，至90°為最小值，后90°→180°逐漸增大，且不同測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)力波動(dòng)變化。拱腳位置(0°和180°)受力要遠(yuǎn)大于其他位置。

4.3 跨徑10 m鋼波紋板拱橋受力規(guī)律分析

(1) 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰受力規(guī)律(圖7)

圖7 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰應(yīng)力變化規(guī)律

由圖7可以看出：① 車輛沿路線行駛時(shí)，各工況下拱橋路中測(cè)區(qū)波峰變化分為3個(gè)階段：第一階段0°(拱腳位置)→30°先快速減小后增大，該階段各角度值在不同工況下數(shù)值較為接近；第二階段30°→150°各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值波動(dòng)變化；第三階段150°→180°先減小后快速增大，該階段各角度在不同工況下應(yīng)力值較為接近；② 各種工況下，鋼波紋板應(yīng)力均以拱頂位置(90°)對(duì)稱分布，拱腳位置(0°和180°)受力要遠(yuǎn)大于其他位置，最大應(yīng)力值為65 MPa。橋頂(90°)應(yīng)力值均大于附近兩側(cè)的應(yīng)力值，且存在突然增大的變化，因此存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測(cè)。另外，橋頂(90°)應(yīng)力值并未按照周圍應(yīng)力值減小的規(guī)律變化，而出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，這可能是車輛荷載向下作用力與周圍土體給鋼波紋板拱橋的力相互作用的結(jié)果。

(2) 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷受力規(guī)律(圖8)

圖8 荷載作用下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷應(yīng)力變化規(guī)律

由圖8可以看出：① 車輛沿鋼波紋板拱橋行駛時(shí)，各工況下拱橋路中測(cè)區(qū)波谷變化分為3個(gè)階段：第一階段0°(拱腳位置)→30°快速減小，該階段各角度值在不同工況下數(shù)值較為接近；第二階段30°→150°各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值波動(dòng)變化；第三階段150°→180°快速增大，該階段各角度值在不同工況下應(yīng)力值較為接近；② 各種工況下，鋼波紋板拱橋應(yīng)力均以拱頂位置(90°)對(duì)稱分布，橋頂位置(90°)附近為10～20 MPa波動(dòng)變化，受力較小，而拱腳位置(0°和180°)受力要遠(yuǎn)大于其他位置，最大應(yīng)力值為65 MPa，這是由于波紋的存在，鋼波紋板橋與周圍土體結(jié)合緊密，在荷載作用下，鋼波紋板拱橋的力沿著板壁向下傳遞，導(dǎo)致拱腳(0°和180°)的受力最大。

4.4 不同跨徑鋼波紋板拱橋受力規(guī)律對(duì)比分析

4.4.1 不同跨徑鋼波紋板拱橋波峰受力規(guī)律

由圖3、5、7可以看出：

(1) 相同荷載作用下，隨著鋼波紋板拱橋跨徑的增加(6 m→8 m→10 m)，拱腳位置(0°和180°)的應(yīng)力逐漸增大，拱頂位置(90°)的應(yīng)力由相對(duì)穩(wěn)定到波動(dòng)變化，且跨徑越大波動(dòng)越大。30°～150°位置應(yīng)力在跨徑6 m時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，跨徑10 m時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，說(shuō)明跨徑越大鋼波紋板拱橋應(yīng)力變化越大。

(2) 荷載作用下，不同跨徑鋼波紋板拱橋最大應(yīng)力在拱腳位置附近(0°和180°)，為65 MPa，遠(yuǎn)小于鋼波紋板材料的允許應(yīng)力值156.7 MPa，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

(3) 荷載作用下，不同跨徑鋼波紋板拱橋應(yīng)力以拱頂(90°)對(duì)稱分布，這說(shuō)明由于軸向波紋的存在，能更好地傳遞應(yīng)力，波紋鋼結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)拱橋的結(jié)構(gòu)形式。

(4) 隨著跨徑的增大，最小應(yīng)力并未出現(xiàn)在拱頂，而是出現(xiàn)在拱頂附近±15°位置(即75°和105°)，這是由于汽車荷載垂直向下的力和鋼波紋板拱橋周圍土體對(duì)波紋板向上的力，兩者相互作用產(chǎn)生的。

4.4.2 不同跨徑鋼波紋板拱橋波谷受力規(guī)律

由圖4、6、8可以看出：

(1) 與波峰變化規(guī)律相似：相同荷載作用下，隨著鋼波紋板拱橋跨徑的增加(6 m→8 m→10 m)，拱腳位置(0°和180°)的應(yīng)力逐漸增大，拱頂位置(90°)的應(yīng)力由相對(duì)穩(wěn)定到波動(dòng)變化，且跨徑越大波動(dòng)越大。30°～150°位置應(yīng)力在跨徑6 m時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，跨徑10 m時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，說(shuō)明跨徑越大鋼波紋板拱橋應(yīng)力變化越大。

(2) 荷載作用下，6 m跨徑鋼波紋板拱橋最大應(yīng)力在15°和165°位置，8 m和10 m跨徑鋼波紋板拱橋最大應(yīng)力在拱腳位置(0°和180°)，這說(shuō)明相同荷載作用下，隨著跨徑的增大鋼波紋板拱橋最大應(yīng)力有向拱腳位置逐漸轉(zhuǎn)移的趨勢(shì)。

(3) 荷載作用下，不同跨徑鋼波紋板拱橋應(yīng)力以拱頂(90°)對(duì)稱分布，這說(shuō)明由于軸向波紋的存在，能更好地傳遞應(yīng)力，鋼波紋結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)拱橋的結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)相同荷載不同跨徑鋼波紋板拱橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得出荷載作用下鋼波紋板拱橋的受力變化規(guī)律。具體如下：

(1) 相同荷載不同跨徑鋼波紋板拱橋波峰、波谷均在拱腳位置(0°和180°)受力最大。

(2) 鋼波紋板拱橋在拱腳位置(0°和180°)受力最大，跨徑6 m時(shí)最大應(yīng)力值為55 MPa，跨徑8 m時(shí)最大應(yīng)力值為60 MPa，跨徑10 m時(shí)最大應(yīng)力值為65 MPa，遠(yuǎn)小于鋼波紋板材料的最大允許應(yīng)力值235 MPa，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

(3) 荷載作用下，不同跨徑鋼波紋板拱橋應(yīng)力以拱頂(90°)為中心對(duì)稱分布，這說(shuō)明鋼波紋板拱橋由于軸向波紋的存在，能更好地傳遞應(yīng)力，鋼波紋結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)拱橋的結(jié)構(gòu)形式。

(4) 相同荷載作用下，隨著鋼波紋板拱橋跨徑的增加(6 m→8 m→10 m)，拱腳(0°和180°)的應(yīng)力逐漸增大，且跨徑越大波動(dòng)越大；拱頂位置(90°)的應(yīng)力由相對(duì)穩(wěn)定到波動(dòng)變化，30°～150°位置應(yīng)力在跨徑6 m時(shí)相對(duì)穩(wěn)定，跨徑10 m時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)，說(shuō)明跨徑越大應(yīng)力變化幅度越大。