大跨覆土多孔波紋鋼板拱涵回填過程加強措施研究

吳興河

摘要 鋼波紋板拱涵涵背回填一般采用同步、對稱回填工藝，但對于回填范圍廣的大跨度鋼波紋板拱涵存在施工效率低、成本高的問題，宜采用逐孔非對稱回填工藝。文章依托益州大道4-Φ9m鋼波紋板拱涵項目，針對其回填過程進行研究，就5種不同施工工況分別建立了采取加強措施與無加強措施的三維有限元模型，對比結(jié)構(gòu)受力變形特性的差異，研究施工過程結(jié)構(gòu)受力的變化以及加強圈對結(jié)構(gòu)受力和變形的提高程度。

關(guān)鍵詞 大跨多孔;加強措施;數(shù)值仿真;應力與變形

中圖分類號 U449.83 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0160-03

0 前言

波紋鋼板由普通鋼板軋制而成，是具有一定波形和規(guī)格的正交各向異性板材。波紋鋼板整體軋制或者使用高強螺栓相互連接形成鋼波紋板拱涵[1]。鋼波紋板結(jié)構(gòu)依靠自身輕質(zhì)高強、施工速度快、工程費用少等優(yōu)點，逐步取代了傳統(tǒng)鋼筋混凝土拱涵在公路小橋涵中的地位，被廣泛使用。通過與周圍回填土和波紋鋼板共同受力、共同變形的特點，共同承擔荷載作用[2-3]。

美國和加拿大最早對此類結(jié)構(gòu)進行過深入研究，編制了較為成熟的設計規(guī)范和施工方法[4]，如：AISI法、AASHTO法和CHBDC法等，并將其廣泛應用于公路工程。國內(nèi)對此類結(jié)構(gòu)研究起步較晚，最初應用于青藏公路多年凍土地區(qū)中，依靠其變形適應能力較強的優(yōu)點，滿足了凍土地基引起的不均勻沉降，此后，鋼波紋結(jié)構(gòu)在國內(nèi)被逐步推廣[5-6]。目前，國內(nèi)研究主要還集中在小跨徑圓管涵，對于大跨徑覆土波紋鋼板拱涵的研究和經(jīng)驗比較匱乏。

波紋鋼板拱涵的發(fā)展方向是適應大跨度和復雜地質(zhì)情況要求[7-8]，為了有效提高結(jié)構(gòu)的抗壓和抗彎能力。對應的鋼波紋板加強措施也被逐漸開發(fā)應用，如：泡沫混凝土回填、合理級配砂礫石回填、附加波紋板加勁肋、混凝土—鋼波紋板疊合梁加強、減壓板等。

混凝土—鋼波紋板疊合梁加強結(jié)構(gòu)是在波紋鋼板上部增設錨固螺栓、橫向短鋼筋和縱向受力筋，并澆筑混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使波紋鋼管道具有較大的剛度，而且可以全截面加固。其受力性能不同于單純的波紋鋼拱涵，設計計算也不能采用文章所述的設計方法，只能依賴于有限元分析，若配合回填輕質(zhì)土，可大大提高結(jié)構(gòu)的承載能力[9-11]。

該文針對混凝土—鋼波紋板疊合梁加強系統(tǒng)，研究有無加強系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)受力和變形特性造成的差異，從應力和變形的計算結(jié)果分析施工過程中加強圈的加強效果，探討了加強措施承擔荷載的特點，對大跨徑覆土波紋鋼板拱涵的結(jié)構(gòu)加強設計進行了分析，為重點檢測位置提供了合理建議。

1 工程概況與有限元模型建立

1.1 工程背景

眉山市益州大道南延線工程柴桑河規(guī)劃河道項目設置4孔鋼波紋板拱涵，鋼波紋板波形為381 mm×140 mm×

8 mm（波長×波高×壁厚）。橋涵截面形式選用半圓形，每孔跨徑均為9.0 m，矢高4.5 m，管頂填土高8.5 m。管涵結(jié)構(gòu)材料使用Q355鋼材，混凝土采用C30。每間隔12個波紋布設一條混凝土—鋼波紋板疊合梁加強系統(tǒng)，具體尺寸如圖1所示。

1.2 模型建立

使用通用有限元分析軟件ANSYS分別對施工過程中典型的5種工況建立有無混凝土—鋼波紋板疊合梁加強系統(tǒng)兩類共10個模型進行計算，分析有無加強系統(tǒng)對該多孔覆土大跨徑波紋鋼拱涵受力性能的加強效果。

鋼材采用shell63單元，土體采用solid45單元。其中鋼材的關(guān)鍵參數(shù)：彈性模量取2.06×105 MPa，密度取1.9×103 kg/m3，泊松比取0.3。混凝土的關(guān)鍵參數(shù)：彈性模量取30 MPa，密度取2.4×103 kg/m3，泊松比取0.2。土體的關(guān)鍵參數(shù)：彈性模量取35 MPa，密度取1.9×103 kg/m3，泊松比取0.25。

考慮土體—結(jié)構(gòu)相互作用，側(cè)邊土體取1倍跨徑，對整個結(jié)構(gòu)施加重力荷載。模型為三維，沿拱軸向取36個波長，除頂面和填土行進方向端面自由約束外其他4個面采用鉸接。施工到整體回填后，由于該模型結(jié)構(gòu)和荷載都對稱，為了節(jié)約計算資源，縮短計算時長，可以考慮對一半結(jié)構(gòu)進行分析，建立兩孔模型，使用對稱約束進行簡化。施工過程有限元模型如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)加強措施研究

2.1 計算結(jié)果

建立典型施工工況有限元模型：（1）工況1，一號拱單側(cè)填土拱頂高0.5 m;（2）工況2，一號拱單側(cè)填土拱頂高0.5 m，一、二號拱間填土2.5 m;（3）工況3，一號拱填土拱頂高0.5 m，二號拱單側(cè)填土拱頂高0.5 m;（4）工況4，拱頂填土0.5 m，中部施加對稱約束;（5）工況5，拱頂填土8.5 m，中部施加對稱約束。

5種工況下有加強系統(tǒng)和無加強系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最大等效應力及其響應位置，最大變形及其響應位置如表1所示。

結(jié)構(gòu)的變形較小，均遠未超過規(guī)范限值180 mm，對結(jié)構(gòu)的安全不起控制作用。在無加強圈的情況下，結(jié)構(gòu)的最大等效應力為178.576 MPa，如圖3（a）所示，超過考慮安全系數(shù)為2.0后的最大等效應力177.5 MPa，不滿足規(guī)范要求，需要設置加強結(jié)構(gòu)。

混凝土—鋼波紋板疊合梁加強系統(tǒng)在工況5的8.5 m填土荷載作用下，結(jié)構(gòu)最大等效應力出現(xiàn)在加強結(jié)構(gòu)的鋼模板拱腳處，如圖3（b）所示，并未發(fā)生在鋼波紋板結(jié)構(gòu)上。說明在填土荷載作用下鋼模板也會承擔一定的荷載，需要考慮鋼模板的局部承載能力。

在回填第一孔即工況1、2時，最大等效應力均發(fā)生在拱腳偏上處。在回填第二孔即工況3、4、5時，最大等效應力出現(xiàn)在拱腳位置。施工過程中結(jié)構(gòu)最不利位置均發(fā)生在波峰處。

工況1和工況2最大等效應力出現(xiàn)第一孔外側(cè)拱腳，工況3最大等效應力出現(xiàn)在第二孔外側(cè)拱腳，工況4最大等效應力出現(xiàn)在第二孔內(nèi)側(cè)拱腳，工況5最大等效應力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在鋼模板之上，

在拱涵非對稱回填，填土較低時最大變形發(fā)生在拱腰處，當拱頂填土達到一定高度時，結(jié)構(gòu)最大變形在發(fā)生拱頂。

2.2 對比分析

相對于無加強結(jié)構(gòu)，加強結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)總體變形特征并未產(chǎn)生明顯變化，在回填完成后，仍是管頂下?lián)希瑑蓚?cè)管腰向外凸出，但變形和等效應力比未加強時大幅減小。

從計算結(jié)果可以得出，無論有無加強系統(tǒng)，對比工況2、工況3和工況4，如表2所示，隨著拱間填土增加，結(jié)構(gòu)的等效應力和變形最大值先增大后減小。說明在填土過程中土體之間會存在相互作用，形成土拱效應，有利于結(jié)構(gòu)的受力。

3 結(jié)論

（1）跨徑9 m厚度8 mm的多孔鋼波紋板應用在覆土8.5 m的橋涵結(jié)構(gòu)時，拱腳處產(chǎn)生了較大的應力，不能很好地滿足設計使用需求，需要采取加強措施。變形對鋼波紋板拱涵不起控制作用，在填土荷載作用下應力響應程度往往大于變形響應程度。按照該結(jié)構(gòu)布置的混凝土—鋼波紋板疊合梁加強系統(tǒng)，回填完成后，最大等效應力和最大變形均減小了約20%。

（2）施工過程中最大位移出現(xiàn)在拱腰，填土達到一定高度后，拱頂位移最大，最大等效應力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的拱腳或者拱腳偏上處，需要對這幾個位置進行重點檢測。

（3）填土成拱之后，土體之間存相互作用，形成土拱效應，有利于結(jié)構(gòu)的受力與變形。

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