低路堤大跨徑鋼波紋板拱橋受力特征分析

劉哲坤，張煒，曲波，滕飛，何強(qiáng)，胡濱

(1.中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司,遼寧 沈陽 110136；2．中交第四公路工程局有限公司海外事業(yè)部；3.西安工業(yè)大學(xué)；4．中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；5.西安中交土木科技有限公司)

公路鋼波紋板橋涵為拼裝式結(jié)構(gòu)，首次在英國農(nóng)田灌溉中應(yīng)用，后逐漸推廣至道路工程中，經(jīng)過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，在美國、加拿大和日本等國家多作為涵洞、通道應(yīng)用，并制定了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但跨徑較大的鋼波紋板橋梁則應(yīng)用較少。韓國在引進(jìn)美國、加拿大技術(shù)后，對(duì)鋼波紋管涵洞也進(jìn)行了大量的應(yīng)用，且對(duì)大跨徑的鋼波紋板橋梁也進(jìn)行了應(yīng)用和研究，最大跨徑的鋼波紋板橋梁結(jié)構(gòu)可達(dá)到27 m左右，取得了顯著的成果。

中國對(duì)鋼波紋板結(jié)構(gòu)研究起步較晚，改革開放后中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司在青藏公路進(jìn)行了3道試驗(yàn)涵洞的應(yīng)用，取得了一定成果，解決了多年凍土區(qū)混凝土涵洞的凍融破壞問題。隨后一些研究機(jī)構(gòu)和高校對(duì)大孔徑的鋼波紋管涵洞、通道開展了研究。隨著鋼波紋管涵洞、通道在中國道路工程中的大量成功應(yīng)用，不但解決了許多道路工程質(zhì)量病害問題，而且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

雖然鋼波紋管涵洞、通道在公路工程中應(yīng)用較為普遍，但對(duì)于大跨徑(跨徑13 m)的鋼波紋板拱橋卻很少有研究，施工過程中鋼波紋板拱橋的受力特征也鮮有報(bào)道，因此需對(duì)其進(jìn)行深入研究。

1 依托工程概況

依托工程為內(nèi)蒙古海(拉爾)滿(洲里)一級(jí)高速公路樁號(hào)K1 473+975處跨徑13 m的雙孔鋼波紋板拱橋，拱橋截面為半圓拱，矢高6.5 m,加筋方式為管外壁相鄰波峰之間加筋，其中鋼波紋板波距為380 mm、波高為140 mm，壁厚為10 mm(鍍鋅前)，所用材料為Q235鋼材，鋼波紋板出廠時(shí)采用熱浸鍍鋅進(jìn)行防腐處理，現(xiàn)場人工配合吊車進(jìn)行安裝，所有鋼波紋板安裝完成后噴涂乳化漆進(jìn)行二次防腐。鋼波紋板拱橋路中區(qū)域設(shè)置加勁肋，路基邊坡位置未設(shè)置。拱頂以上填土高度為1.5 m。

2 試驗(yàn)方案

2.1 鋼波紋板拱橋內(nèi)璧應(yīng)變測試方案

在波峰、波谷和波側(cè)3個(gè)測試斷面，按照鋼波紋板拱橋的跨徑進(jìn)行劃分，分別在拱腳、1/8拱、2/8拱、3/8拱、跨中、5/8拱、6/8拱、7/8拱和8/8拱處布置應(yīng)變片，共計(jì)21個(gè)測點(diǎn)，具體布設(shè)如圖1、2所示。

2.2 鋼波紋板拱橋外壁土壓力測試方案

分別在拱腳、1/8拱、2/8拱、3/8拱、跨中、5/8拱、6/8拱、7/8拱和8/8拱處緊貼拱圈外(沿拱圈弧線切線方向，離拱圈6 cm)各布置一個(gè)土壓力盒，測試拱圈周向土壓力的分布情況(圖3)。分別在有加筋和無加筋的拱圈處設(shè)置兩組，共18個(gè)測點(diǎn)。

圖1 鋼波紋板拱橋內(nèi)壁靜態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)位置示意圖

圖2 鋼波紋板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片布設(shè)示意圖

圖3 鋼波紋板拱橋外壁土壓力盒布置圖

2.3 測試工況

現(xiàn)場試驗(yàn)時(shí)，填土前對(duì)鋼波紋板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片進(jìn)行了布置，因此應(yīng)變測試具有兩種工況：即拱周填土(從拱腳位置填土至拱頂)和拱頂填土(從拱頂+0.2 m至路基頂)；而土壓力盒隨著拱周填土高度進(jìn)行埋設(shè)，因此只有一種工況，即拱頂填土(從拱頂+0.2 m至路基頂)。具體測試工況見表1、2。

表1 拱周測試工況

3 鋼波紋板拱橋測試結(jié)果及分析

3.1 拱橋內(nèi)壁應(yīng)變測試結(jié)果及分析

3.1.1 拱周填土過程中應(yīng)變測試結(jié)果及分析

(1)波峰隨填土高度增加應(yīng)變變化規(guī)律(圖4)。

表2 拱頂測試工況

圖4 拱周填土?xí)r波峰隨填土高度增加的應(yīng)變變化

由圖4可知：① 當(dāng)拱周填土0.2 m時(shí)，此時(shí)鋼波紋板拱橋整體表現(xiàn)為拉應(yīng)變，其中拱腳和8/8拱處產(chǎn)生壓應(yīng)變；3/8拱處應(yīng)力變化較小，幾乎為零。隨著填土高度的增加，拱腳和8/8拱處壓應(yīng)變?cè)龃?，其余各位置均表現(xiàn)為拉應(yīng)變，跨中處拉應(yīng)變值最大；② 當(dāng)拱周填土至3.1 m時(shí)，2/8拱、3/8拱、跨中和5/8拱由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，且跨中位置壓應(yīng)變值變化最大。拱腳和8/8拱處的應(yīng)變較大，且1/8拱、6/8拱和7/8拱處的拉應(yīng)變?cè)龇^為明顯；③ 當(dāng)拱周填土至6.0 m時(shí)，此時(shí)拱腳處壓應(yīng)變?cè)黾又磷畲?，相?yīng)的3/8拱、跨中和5/8拱位置壓應(yīng)變?cè)龃?，說明當(dāng)填土高度增加，拱周土對(duì)鋼波紋板橋的拱腳和兩邊的擠壓作用不斷增強(qiáng);④ 整個(gè)填土過程中，1/8拱、跨中和7/8拱位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測。

(2)波谷隨填土高度增加應(yīng)變變化規(guī)律(圖5)

圖5 拱周填土?xí)r波谷隨填土高度增加的應(yīng)變變化

由圖5可知：① 拱周填土0.2 m時(shí)，拱腳、1/8拱、跨中和8/8拱位置為壓應(yīng)變，其他位置為拉應(yīng)變；② 拱周填土至1.9 m時(shí)，拱腳的壓應(yīng)變?cè)鲋磷畲?，說明填土過程中鋼波紋板拱橋存在從拱頂?shù)焦澳_力的延續(xù)作用;③ 拱周填土至3.1 m時(shí)，拱腳和8/8拱位置突然由壓應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，6/8拱和1/8拱則由拉應(yīng)變變化為壓應(yīng)變，說明隨著填土高度的增加，管周不同位置存在力的重新分布過程；④ 拱周填土至拱頂時(shí)(拱腳+6 m)，隨著拱橋測試位置的變化，拱腳、跨中和8/8拱位置為較大的拉應(yīng)變，而1/8拱和7/8拱位置為較大的壓應(yīng)變，其他位置介于幾處之間且拉壓應(yīng)變交替變化；⑤ 隨著管周填土高度的增加，拱腳附近位置(拱腳和8/8拱)的應(yīng)變變化幅度最大，從開始的壓應(yīng)變轉(zhuǎn)為拉應(yīng)變，且拉應(yīng)變值較大。說明鋼波紋板拱橋各部分的受力沿著拱周向拱腳進(jìn)行力的傳遞；⑥ 在拱周填土過程中，1/8拱、跨中和7/8拱位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)觀測。

(3)波側(cè)隨填土高度增加應(yīng)變變化規(guī)律(圖6)

圖6 拱周填土?xí)r波側(cè)隨填土高度增加的應(yīng)變變化

由圖6可知：不同工況下，拱腳和8/8拱均為壓應(yīng)變，而拱頂為拉應(yīng)變，說明隨著拱橋周圍填土的增加，拱腳位置的壓力值增大。拱周填土從拱腳+0.2 m→拱腳+1.0 m→拱頂過程中，各測點(diǎn)應(yīng)變值先增大后減小。

(4)波峰、波谷和波側(cè)隨填土高度增加應(yīng)變對(duì)比

由圖4～6可以得出：① 填土初期(拱腳+0.2 m至1.9 m)，波峰和波谷均以拉應(yīng)變?yōu)橹?，且?yīng)變值較小，隨著填土高度的增加，填土拱腳+3.1 m至6.0 m時(shí)波動(dòng)較大，且應(yīng)變值增大幅度較大。說明填土至拱橋高度一半時(shí)(拱橋高度為6.0 m)鋼波紋板拱橋周圍受力發(fā)生了較大變化，此時(shí)施工應(yīng)采取一定的支撐防護(hù)措施；② 相比較于波峰，波側(cè)的應(yīng)變值略小，跨中為拉應(yīng)變，拱腳和8/8拱為壓應(yīng)變。

3.1.2 拱頂填土過程中應(yīng)變測試結(jié)果及分析

(1)波峰隨填土高度增加應(yīng)變變化規(guī)律(圖7)

由圖7可知：① 隨著拱頂填土高度的增加，各測試位置應(yīng)變值逐漸趨向于穩(wěn)定。拱腳、8/8跨和跨中位置附近(3/8拱、跨中和5/8拱)主要為壓應(yīng)變，其余位置為拉應(yīng)變，且不同位置的應(yīng)變值規(guī)律相似，僅大小不同，說明拱橋結(jié)構(gòu)整體安全穩(wěn)定；② 隨著測試位置的變化，應(yīng)變值為拉壓交替變化，整體上鋼波紋板拱橋以跨中為中心，兩側(cè)呈現(xiàn)對(duì)稱分布；③ 鋼波紋板拱橋在1/8拱、2/8拱、跨中和6/8拱處出現(xiàn)應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行觀測。

圖7 拱頂填土?xí)r波峰隨填土高度增加的應(yīng)變變化

(2)波谷隨填土高度增加應(yīng)變變化規(guī)律(圖8)

圖8 拱頂填土?xí)r波谷隨填土高度增加的應(yīng)變變化

由圖8可知：① 不同填土高度下，各測試位置變化規(guī)律相似，僅數(shù)值大小不同，拱腳、跨中和8/8拱位置為拉應(yīng)變，其他位置為壓應(yīng)變；② 隨著測試位置的變化，整體上鋼波紋板拱橋以跨中為中心，兩側(cè)呈現(xiàn)對(duì)稱分布。鋼波紋板拱橋在2/8拱、跨中和6/8拱處出現(xiàn)應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢測；③ 填土至路基頂部(拱頂上1.5 m)時(shí)，跨中、拱腳和8/8拱處壓應(yīng)變達(dá)到了峰值，2/8拱和6/8拱處壓應(yīng)變也最大，而3/8拱和5/8拱位置應(yīng)變變化較小，趨近于零。

(3)波側(cè)隨填土高度增加應(yīng)變變化規(guī)律(圖9)

由圖9可知：① 隨著拱頂填土高度的增加，拱腳、跨中和8/8拱處均為壓應(yīng)變，且先增大后減?。桓魑恢脡簯?yīng)變隨著填土高度的增加逐漸增大；② 按照測試位置的變化，拱腳→跨中→8/8拱過程中，壓應(yīng)變先減小后增大，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在拱腳處，為-293 με，小于鋼波紋板的允許應(yīng)變值，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。

圖9 拱頂填土?xí)r波側(cè)隨填土高度增加的應(yīng)變變化

由圖7～9可以得出：在整個(gè)拱頂填土過程中，波峰變化規(guī)律和波谷變化規(guī)律呈現(xiàn)出相似周期性和交替性的變化，但波峰和波谷同一位置相同工況下，拉壓應(yīng)變正好相反。最大應(yīng)力均出現(xiàn)在跨中，而波側(cè)整體上均表現(xiàn)為壓應(yīng)變。鋼波紋板拱橋在2/8拱、跨中和6/8拱處應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行觀測。

3.2 拱橋外壁徑向土壓力測試結(jié)果及分析

3.2.1 設(shè)加勁肋處徑向土壓力變化規(guī)律分析(圖10)

圖10 拱橋外壁設(shè)加勁肋處徑向土壓力變化規(guī)律

由圖10可以得出：

(1)拱頂上填土施工過程中，隨著填土高度增加，拱周外側(cè)不同位置徑向土壓力值均逐漸增大，其中1/8拱處徑向土壓力變化最大。

(2)填土初期(拱頂填土0.6 m以內(nèi))，部分位置徑向土壓力存在波動(dòng)變化，拱頂填土0.8 m及以上，各位置徑向土壓力大小關(guān)系基本確定為：1/8拱>6/8拱>7/8拱>5/8拱>外腳>2/8拱>3/8拱>跨中>8/8拱。主要由于8/8拱處于兩孔拱橋中間填土的拱腳位置，填土范圍較小，人工配合小型夯機(jī)施工壓實(shí)度不夠引起。

(3)填土初期(拱頂填土0.6 m以內(nèi))，各位置徑向土壓力增長幅度較小，填土后期(管頂填土0.8 m至路基頂部)，各位置徑向土壓力增長幅度較大，最大土壓力為0.35 MPa。

3.2.2 未設(shè)加勁肋處徑向土壓力變化規(guī)律分析(圖11)

圖11 拱橋外壁未設(shè)加勁肋處徑向土壓力變化規(guī)律

由圖11可以得出：

(1)拱頂上填土施工過程中，隨著填土高度增加，拱周外側(cè)不同位置徑向土壓力值均逐漸增大。拱腳位置徑向土壓力隨填土高度增加增長幅度最大。

(2)與加勁肋的徑向土壓力變化規(guī)律相似：填土初期(管頂填土0.6 m以內(nèi))，各位置徑向土壓力增長幅度較小，填土后期(管頂填土0.8 m至路基頂部)，增長幅度較大。

(3)填土高度超過0.6 m時(shí)，徑向土壓力的大小關(guān)系為：拱腳>7/8拱>2/8拱>跨中>6/8拱>5/8拱>1/8拱>3/8拱>8/8拱，最大值為0.25 MPa。

(4)與加勁肋的徑向土壓力對(duì)比分析可知：設(shè)置加勁肋位置的徑向土壓力值整體較未設(shè)置的增幅大。說明采用加勁肋技術(shù)，增加了鋼波紋板的強(qiáng)度和剛度，鋼波紋板與加筋板整體可承受更大的土壓力，確保了鋼波紋板拱橋的安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

(1)拱周填土過程中，填土初期(拱腳+0.2 m至1.9 m)，波峰和波谷均以拉應(yīng)變?yōu)橹鳎覒?yīng)變值較小，隨著填土高度的增加，填土拱腳+3.1 m至6.0 m時(shí)波動(dòng)較大。波側(cè)的應(yīng)變值相對(duì)較小。

(2)拱頂填土過程中，波峰和波谷呈現(xiàn)出相似周期性和交替性的變化規(guī)律。不同填土高度下波峰和波谷各測試位置變化規(guī)律相似，僅數(shù)值大小不同。整體上鋼波紋板拱橋以跨中為中心，兩側(cè)呈現(xiàn)對(duì)稱分布，2/8拱、跨中和6/8拱處應(yīng)力集中，施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行檢測。

(3)拱外徑向土壓力隨著拱頂填土高度的增加而逐漸增大，填土初期(管頂0.6 m以內(nèi))，各位置徑向土壓力增長幅度較小，填土后期(管頂+0.8 m至路基頂部)增長幅度較大，且設(shè)置加勁肋位置的徑向土壓力值整體較未設(shè)置的增幅大。加勁肋技術(shù)可增加鋼波紋板的強(qiáng)度和剛度，確保鋼波紋板拱橋的安全穩(wěn)定。