鋼波紋板-混凝土組合截面拱涵的監(jiān)測與分析

王晉斌

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

在我國公路建設(shè)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的中小跨徑拱橋（涵），因其造價較低、且耐久性好，而被廣泛應(yīng)用。但使用過程中，也出現(xiàn)了一些病害，特別在軟基、高填方等路段，由于沉降、變形等增大的原因，結(jié)構(gòu)易發(fā)生開裂，進而影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；此外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于養(yǎng)生齡期、溫度及周圍環(huán)境等的影響，施工也常受到限制。

鋼波紋板-混凝土組合結(jié)構(gòu)拱涵利用混凝土抗壓和波紋鋼板抗剪、變形適應(yīng)性強的特點，使兩種材料聯(lián)合成一體，共同作用，提升了拱圈整體剛度，增加了結(jié)構(gòu)抗彎能力，同時發(fā)揮混凝土保護層的作用，解決鋼波紋板橋涵的防滲、防腐等問題，進而增大其適應(yīng)范圍，達到其設(shè)計使用年限的要求。目前，國內(nèi)對開口型式的鋼波紋板拱橋涵的研究仍較少，而對鋼波紋板橋涵混凝土組合的研究還是空白。

某高速公路設(shè)有1孔4×3.5 m鋼波紋板-混凝土組合截面拱涵，涵長為80.086 m，波紋板采用半徑R=2 m、中心角180°的圓弧拱，波紋板結(jié)構(gòu)采用波形為380 mm（波距）×140 mm（波高），鋼板壁厚為6 mm，管頂覆土高度為15.93 m。波紋鋼板采用Q235加工而成，表面為熱浸鍍鋅。為保證波形鋼板和混凝土結(jié)構(gòu)間的有效連接，在波形鋼板上設(shè)置鋼筋剪力鍵，并在板上澆注25 cm厚的C30混凝土板而形成整體聯(lián)合截面。通過對此拱涵在不同截面形式的橋涵性能指標，包括抗彎性能、抗剪性能、變形等進行采集，采集后的數(shù)據(jù)與有限元理論計算結(jié)果進行對比，從而科學(xué)確定結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，為其設(shè)計和施工提供理論指導(dǎo)。對鋼波紋鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)拱橋涵在我國的推廣應(yīng)用起到積極作用。

2 監(jiān)測目的、項目與技術(shù)參數(shù)

2.1 監(jiān)測目的

a）了解鋼波紋鋼板混凝土組合截面結(jié)構(gòu)的受力、變形特點。

b）優(yōu)化鋼波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

c）結(jié)合實際鋼波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵工程，對施工過程中及施工完成后的內(nèi)力、變形、土壓力分布及沖擊性能等進行監(jiān)控量測，檢測結(jié)果與有限元理論計算結(jié)果進行對比，合理確定波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵結(jié)構(gòu)受力特點，為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工提供有益的參考。

2.2 監(jiān)測項目

2.2.1 監(jiān)測工況及測點布設(shè)

全涵共設(shè)4個監(jiān)測斷面，分別設(shè)在1/2邊坡、路肩、1/4路基、路中心處，共分為7組工況進行監(jiān)測，工況如下：a）波紋板拼裝后；b）板頂混凝土澆注完成后；c）板頂混凝土強度達到設(shè)計值后；d）涵頂填土達到1/3時；e）涵頂填土達到2/3時；f）板頂填土達到設(shè)計高程時；g）活荷載作用時（運營期3個月內(nèi)監(jiān)測1次）。

2.2.2 在各個工況中，主要監(jiān)測內(nèi)容

2.2.2.1 主拱圈的變位

測點布置：對于主拱圈拱腳、6/8L、拱頂處變位進行監(jiān)測，測點預(yù)埋設(shè)置短鋼筋，用紅油漆標注編號。其中每個斷面監(jiān)測時均采用一個波峰、一個波谷進行監(jiān)測。

2.2.2.2 鋼波紋板應(yīng)變觀測和混凝土應(yīng)變觀測

a）監(jiān)測方法 混凝土應(yīng)變采用優(yōu)質(zhì)振弦式應(yīng)變計（型號：長沙金瑪JMZX系列）測試，鋼波紋板應(yīng)變采用優(yōu)質(zhì)表面式應(yīng)變傳感器測試，所有的監(jiān)測元件都具有可靠的標定數(shù)據(jù)。

b）測點布置 拱涵應(yīng)力監(jiān)測1～3斷面選拱腳、拱頂為關(guān)鍵截面。斷面4選拱腳、L/4、拱頂?shù)葹殛P(guān)鍵截面。截面上重點監(jiān)測鋼波紋板及混凝土上下截面位置處應(yīng)變。其中1～3斷面每個截面采用1個波峰和1個波谷監(jiān)測，斷面4每個截面采用2個波峰、2個波谷監(jiān)測和2個波側(cè)進行監(jiān)測。

2.2.2.3 拱背土壓力監(jiān)測

壓力盒在涵洞拱背位置布設(shè)，壓力盒與拱背混凝土板之間約有6 cm厚土層，每個壓力盒布置沿管切線方向放置。

2.2.3 監(jiān)測結(jié)果

本文只對路面鋪設(shè)完成后數(shù)據(jù)進行描述分析。

a）混凝土應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果 由于部分測點已被破壞，沒有讀數(shù)，破壞測點處測量值采用上一次的監(jiān)測結(jié)果，相對上次測量，變化不大。路面層完成后，第4斷面處拱頂部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約10.5 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為1.0 MPa。第4斷面處拱腰部位的混凝土表面受力較小，表面最大壓應(yīng)力約1.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為9.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約23.3 MPa。第4斷面處拱腳部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約7.8 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.2 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為9.3 MPa。

b）鋼波紋板應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果 路面層完成后，較上次測量鋼波紋板的應(yīng)力稍減小。第4斷面處拱頂部位的鋼波紋板環(huán)向為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約35.9 MPa。第4斷面處拱腰部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約51.0 MPa，波峰處受拉，拉應(yīng)力約為4.8 MPa。第4斷面處拱腳部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約87.7 MPa。

c）拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果 路面完成后，沉降變形變化不大，最大沉降量也較小，約4 mm。

d）拱涵背后土壓力監(jiān)測結(jié)果 背后土壓力測線被破壞較多，有一些被埋進路基邊坡里，無法找到。根據(jù)已有的測點顯示土壓力變化不大，最大土壓力約0.4 MPa。

3 有限元仿真分析

3.1 仿真計算思路

a）為便于建立幾何模型和計算，將鋼波紋板等效成平面鋼板，采用平面應(yīng)變模型進行模擬。

b）由波紋產(chǎn)生的加大剛度的作用，等效成鋼板剛度的增加或鋼板厚度的增加，混凝土襯砌的厚度取為鋼波紋板波峰波谷處的平均值，這樣就可以采用平面應(yīng)變進行計算。

3.2 波形鋼板的等效

鋼波形板與正交各向異性平板等價的條件是：板邊緣受到水平力時，鋼波形板產(chǎn)生的位移和變形與平板產(chǎn)生的位移和變形一致，其具有一樣的尺寸及厚度。

簡化后的等效正交各向異性平板單元的彈性矩陣如下：

式中：Exx、Eyy分別為局部坐標系x、y軸方向的等效彈性模量；μxy是因y向應(yīng)變而導(dǎo)致x向應(yīng)變的泊松比；μyx是與 μxy垂直的 y向的泊松比；GGff是等效剪切模量。這5個量中只有4個是獨立的，之前存在如下關(guān)系：

根據(jù)基本材料的彈性模量及波形鋼板的斷面幾何參數(shù)，利用等價條件可以得到：

式中：a、l分別為波形鋼板成型前及成型后的寬度；E0、μ0分別為板材的彈性模量及泊松比；I0、Ix分別為等效的正交各向異性板和波形鋼板的慣性矩；ζ為修正系數(shù)，取2～2.5。

3.3 有限元模型建立

3.3.1 幾何模型

建模過程中，土體和拱涵結(jié)構(gòu)均采用實體單元。模型以底邊中點為原點，水平向右為x軸正方向，垂直向上為z軸正方向，y方向取單位厚度，整個模型在xyz方向大小分別為120 m、1 m、50 m，拱涵結(jié)構(gòu)尺寸按相應(yīng)的設(shè)計資料建立。模型共劃分網(wǎng)格單元1 766個，節(jié)點3 433個，建立模型如圖1所示，細部圖如圖2所示。做了簡單的試算，填土完成后鋼波紋板混凝土組合截面拱頂處的豎向位移約為1.8 mm。

圖1 幾何模型圖（單位：m）

圖2 模型細部圖

3.3.2 物理模型及參數(shù)

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[1]，拱涵結(jié)構(gòu)強度較高，可認為處于彈性階段，故采用彈性模型，計算參數(shù)見表1。位移邊界條件為：模型頂面自由，四周約束各邊界面的法向位移，底面完全約束。

表1 主要計算參數(shù)表

3.3.3 有限元計算結(jié)果

不同填土深度，各計算結(jié)果如表2。

表2 不同填土深度計算結(jié)果

4 結(jié)論

a）根據(jù)監(jiān)測及計算結(jié)果，路面層完成后，隨著時間發(fā)展，變形增加較小，鋼波紋板混凝土組合截面的變形約3.6 mm。

b）根據(jù)監(jiān)測及計算結(jié)果，路面層完成后，第4斷面處拱頂部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約10.5 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為1.0 MPa。第4斷面處拱腰部位的混凝土表面受力較小，表面最大壓應(yīng)力約1.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為9.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約23.3 MPa。第4斷面處拱腳部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約7.8 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.2 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為9.3 MPa。

c）根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，路面層完成后，較上次測量鋼波紋板的應(yīng)力稍減小。第4斷面處拱頂部位的鋼波紋板環(huán)向為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約35.9 MPa。第4斷面處拱腰部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約51.0 MPa，波峰處受拉，拉應(yīng)力約為4.8 MPa。第4斷面處拱腳部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約87.7 MPa。

d）在路面完成后，背后土壓力變化較小，第4斷面混凝土拱背后的土壓力約為0.4 MPa。

e）由于路基邊坡的修筑，測線被破壞較多，但從已有的實測數(shù)據(jù)看，各測點的值變化較小，鋼波紋板混凝土組合截面變形和應(yīng)力均較小，處于安全狀態(tài)。