基于豎向變位的公路覆土波紋鋼橋涵評價

李敏會

摘 要：本文基于豎向變位對公路覆土波紋鋼橋涵進行評價。結(jié)果表明：對于下部小直徑的CSSCS，以“卸荷拱”是否出現(xiàn)作評價為關鍵點，當填土高度超過“土拱”高度時，以填土路基作為評價對象，采用彎沉值作為評價指標;填土高度不超過“土拱”高度，采用橋涵的評價體系，采用撓度作為評價指標。對于下部大直徑的CSSCS，由于結(jié)構(gòu)上部填土具有吸收沖擊荷載和濾波作用，常規(guī)的動力參數(shù)并不適用，仍建議采用撓度作為長期安全性控制指標，建議就此結(jié)構(gòu)提出新的撓度限值。

關鍵詞：覆土波紋鋼結(jié)構(gòu);撓度;豎向變位;評價體系

中圖分類號：U441.2文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）10-0092-04

Evaluation of Corrugated Steel Bridges and Culverts on Highway Covering Soil Based on Vertical Displacement

LI Minhui

（Qiannan Prefecture Communications Construction Company，Qiannan Guizhou 558000）

Abstract： Based on the vertical displacement， the paper evaluated the corrugated steel bridge and culvert covered with soil. The results show that： for the lower small diameter csscs， the key point is whether the "unloading arch" appears or not. When the filling height exceeds the "soil arch" height， the filled subgrade is taken as the evaluation object， and the deflection value is taken as the evaluation index; The evaluation system of bridge and culvert is adopted， and the deflection is used as the evaluation index. For csscs with large diameter in the lower part， the conventional dynamic parameters are not applicable due to the impact load absorption and filtering effect of the upper fill. It is suggested that the deflection should be used as the long-term safety control index， and a new deflection limit should be proposed for this structure.

Keywords： CSSCS;vertical displacement;unloading arch;evaluation system

1 研究背景

近年來，公路工程新結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展和應用。覆土波紋鋼結(jié)構(gòu)（Corrugated Steel Structural Covered with Soil，CSSCS）作為一種新的“鋼-土組合結(jié)構(gòu)”，主要以下部的波紋鋼結(jié)構(gòu)和做用于其上的回填土體共同作為承載體系，見圖1和圖2。波紋鋼結(jié)構(gòu)徑向的波紋增加了截面剛度，縱向為多個波紋的擴展，具有一定的彈簧效應，能較好地適應地基變形，能在一定程度上解決因地基不均勻沉降引發(fā)的構(gòu)造破壞問題，該結(jié)構(gòu)先后在國內(nèi)多地得到應用[1]。

隨著CSSCS單跨跨徑增大，其面臨的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性問題也逐漸凸顯?，F(xiàn)行的波紋鋼結(jié)構(gòu)相關標準、規(guī)范并沒有對此做出明確要求[2-11]。因此，完善與覆土波紋鋼結(jié)構(gòu)體系對應的評價標準將愈發(fā)迫切。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 理論基礎

CSSCS橋涵主要有閉口和開口兩種構(gòu)造形式，均基于“卸荷拱理論”和“環(huán)壓理論”。馮忠居等指出，當作用于圓管形結(jié)構(gòu)上部的填土達到一定高度時，在圓管頂部逐漸形成一個能夠承擔上部荷載的拋物線型“土拱”[12-13]。隨著填土高度的增加，由于“土拱”的承載作用，作用于圓管頂部的荷載占比相對逐漸減小，起到“卸荷”作用。顧安全等認為，管型結(jié)構(gòu)與其周邊的土體之間存在相互摩擦作用[14-15]。填土不高時，在豎向荷載作用下，作用于圓管的法向和切向摩擦較為顯著，圓管呈不均勻受力狀態(tài)，變形為橢圓，并對兩側(cè)回填土體產(chǎn)生擠壓作用。隨著回填土體高度增加，管型結(jié)構(gòu)受到兩側(cè)土體的反作用增大，切向摩擦作用降低，結(jié)構(gòu)恢復成圓形，逐漸呈環(huán)向受壓的狀態(tài)。馬德文等認為，“卸荷拱”形成后，“土拱”可承擔約40%的上部荷載，波紋鋼管型結(jié)構(gòu)承擔約60%的荷載，管體呈環(huán)向受壓狀態(tài)。同條件下，管徑越小、管型結(jié)構(gòu)的環(huán)剛度越大，“土拱”形成越早;反之，管徑越大，“卸荷拱”越難以形成[16-17]。環(huán)向受壓狀態(tài)如圖3所示，卸荷拱形成機理如圖4所示。

2.2 波紋鋼變形特點

采用合適的有限元軟件，模擬分析工程技術問題，是工程領域普遍采用的技術方法。鑒于CSSCS具有較強的幾何非線性和材料非線性，研究者通常采用有限元分析結(jié)合模型試驗的方法展開研究[18-20]。

2.2.1 閉口圓形截面。烏延玲對波紋板材型號為124 mm×25 mm×3 mm的圓管形CSSCS展開研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固定填土高度，增加管徑，CSSCS的豎向變形呈增長趨勢。當管徑增大到一定限值后，變形增長趨勢更加明顯。這說明管徑增加到一定程度后，波紋鋼管成為主要的承載構(gòu)件，且管徑越大，越不利于整體結(jié)構(gòu)承載;反之，管徑越小，整體剛度越大，利于“土拱”的形成，利于結(jié)構(gòu)承載[21]。

2.2.2 開口異形截面。彭賢明采用的波紋板材型號為400 mm×140 mm×5.45 mm，開口異形截面，如圖5所示，對單跨10 m的CSSCS小橋開展研究。結(jié)果顯示，當填土高度為1.5 m時，CSSCS跨中頂部最大豎向位移為32.02 mm，對應位置的波紋鋼豎向位移為24.89 mm;當覆土高度增加到5.5 m時，CSSCS跨中頂部最大豎向位移為81.04 mm，對應位置的波紋鋼豎向位移為65.10 mm。此外，隨著填土高度的增加，結(jié)構(gòu)豎向位移呈現(xiàn)出近乎線性增長的趨勢，對應位置填土的豎向變形也同步以線性趨勢增長，最大值為15.94 mm，約占總豎向位移的20%[22]。由此可見，異形截面CSSCS的主要承載構(gòu)件為波紋鋼，以受彎變形為主，整體的豎向位移較大，其中土體變形占有較大比重。

2.2.3 開口半圓管截面。李雨株采用的波紋板材型號為400 mm×150 mm×7 mm，開口半圓管形截面，如圖6所示，對單跨12 m的CSSCS小橋開展研究。結(jié)果顯示，增加填土高度，結(jié)構(gòu)變形持續(xù)增大。當填土高度增大到一定程度后，結(jié)構(gòu)變形更加明顯。結(jié)構(gòu)試驗顯示，填土高度為0.8 m，汽車荷載后軸作用于中線位置時，結(jié)構(gòu)豎向位移為28 mm，此時波紋板的最大應力為150 MPa[23]。

蒲廣寧等采用波紋板材型號為400 mm×150 mm×7 mm，分別對開口半圓管截面和開口異形截面、跨徑為8～20 m的CSSCS小橋進行分析。結(jié)果表明，開口半圓管截面具有更好的受力和變形狀態(tài);拱肩加強后的開口異形截面、單跨13 m跨徑CSSCS的撓度依然達到約40 mm[24]。

對比上述研究者的成果可知，CSSCS具有豎向變形大、變形值離散大的特點。其豎向變形大，主要是因為結(jié)構(gòu)整體偏向柔性，具有較大的變形能力。變形值離散大，主要有以下幾個方面的原因：材料和結(jié)構(gòu)具有較強的非線性，所采用的有限元模型差異性，所采用的結(jié)構(gòu)截面線型差異性，所采用的板材型號差異性以及填土材料和填土高度差異等。

2.3 橋梁撓度控制

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設計規(guī)范》（JTG D64—2015）顯示，鋼結(jié)構(gòu)簡支或連續(xù)板梁橋的撓度限制為L/500（L為橋梁單跨跨徑）[25];美國橋梁結(jié)構(gòu)撓度限值委員會給出的簡支梁和連續(xù)梁的撓度限制為L/800，懸臂梁橋撓度限制為L/300[26]?！豆蜂摻罨炷良邦A應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）提出，鋼筋混凝土和預應力受彎構(gòu)件長期撓度值不應超過計算跨徑的L/600[27]。陳寶春等認為，撓度值的設定主要是為了控制橋梁振動，而一般拱橋的剛度較大，撓度實測值均小于撓度限值，且國際上也主要以動力參數(shù)代替撓度限值的規(guī)定，因此，規(guī)范中并未對拱橋撓度提出限制要求[26]。郭力源通過對低填方路基的動力學性能進行研究發(fā)現(xiàn)，車輛以40 km/h行進時，公路鋼波紋板結(jié)構(gòu)的拱頂最大動撓度為1.074 mm，約為結(jié)構(gòu)跨徑的L/400[28]?？紤]到CSSCS變形大的特點，現(xiàn)行規(guī)范中關于撓度的條文并不能適用于該結(jié)構(gòu)，仍需要對該結(jié)構(gòu)的撓度控制值提出專項要求。

2.4 路基彎沉控制

路基剛度特性主要通過路基彎沉值體現(xiàn)?！豆饭こ藤|(zhì)量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2017）提出，土方路基實測彎沉值應滿足相關設計要求[29]。王崇濤對西戶公路各測點的彎沉值（0.01 mm）檢測結(jié)果顯示，彎沉值最大為100，最小為4[30];王理吉對新疆地區(qū)多條公路的路面彎沉統(tǒng)計顯示，最大彎沉值為206，最小為24.7[31];林榕對佛山地區(qū)某高速路面彎沉檢測表明，彎沉值最大為31.7，最小為3.3[32]。由此可見，彎沉值普遍較CSSCS撓度值小很多，兩者耦合在一起時，可能被撓度值覆蓋。CSSCS綜合了橋梁與填土路基的兩種構(gòu)造形式和工藝，也導致了在檢測控制指標上的復雜性。

3 研究現(xiàn)狀分析

“卸荷拱理論”表明，在填土達到一定高度后，土體內(nèi)部開始出現(xiàn)“土拱”，但有限元分析和試驗均顯示，填土高度較低時，多數(shù)開口型CSSCS結(jié)構(gòu)并沒有如圓形涵管一樣出現(xiàn)更為有利的鋼-土共同作用，“土拱”效應并不顯著，波紋鋼結(jié)構(gòu)仍是主要的受彎承載構(gòu)件。

對于小直徑/跨徑CSSCS，隨著填土高度增加，CSSCS構(gòu)件所受壓力將逐漸呈現(xiàn)均勻化，此時波紋鋼結(jié)構(gòu)以環(huán)向受壓為主。對于大直徑/跨徑CSSCS，波紋鋼板自身的剛度難以支撐上部填土至“土拱”形成，其變形和撓度仍是結(jié)構(gòu)安全性的首要控制點。

在進行路基路面檢測時，采用小直徑/跨徑CSSCS的路段，填土路基增加了CSSCS整體的剛度，有利于承載和控制變形。對于大直徑/跨徑CSSCS的路段，通常因填土達不到特定的高度，CSSCS仍以豎向受彎變形為主，出現(xiàn)撓度值“吃掉”彎沉值的現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

對于下部小直徑的CSSCS，以“卸荷拱”是否出現(xiàn)作評價為關鍵點，當填土高度超過“土拱”高度時，以填土路基作為評價對象，采用彎沉值作為評價指標;填土高度不超過“土拱”高度，采用橋涵的評價體系，采用撓度作為評價指標。

對于下部大直徑的CSSCS，由于結(jié)構(gòu)上部填土具有吸收沖擊荷載和濾波作用，常規(guī)的動力參數(shù)并不適用，仍建議采用撓度作為長期安全性控制指標，建議就此結(jié)構(gòu)提出新的撓度限值。

板材型號越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，利于承載和控制變形，建議對多種板材型號的CSSCS開展研究，就各種型號的板材提出適用范圍。

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