跨徑13 m 鋼波紋板拱橋應(yīng)變分析

張忠伍，潘小虎，王 磊，何 強(qiáng)，董佳奇，任成飛

（1.中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136；2．中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710075；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075；4.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021）

引言

隨著波紋鋼產(chǎn)品在國內(nèi)外公路建設(shè)項(xiàng)目中近幾十年的應(yīng)用，驗(yàn)證了鋼波紋管（板）橋涵在各種情況下的通用性和安全性[1-3]。鋼波紋板（管）橋涵是采用波紋狀弧形板（管）通過連接、拼裝形成的一種橋涵形式。它采用薄殼鋼波紋板結(jié)構(gòu)替代圬工砌體，減少了砂、石用量，同時軸向波紋的存在，能夠在橋涵橫向和軸向分散應(yīng)力，從而更好的適應(yīng)地基變形，解決了許多因地基變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞問題[4]。考慮到鋼波紋管受力性能好、節(jié)約資源、利于環(huán)境的優(yōu)勢，該鋼波紋板橋梁（動物通道）的設(shè)計兼顧到材料、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，在高寒地區(qū)采用柔性、高強(qiáng)度的鋼波紋板橋梁、通道代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土和圬工構(gòu)造物，更具優(yōu)勢，也更有發(fā)展前景[5-6]。

1 鋼波紋板拱橋現(xiàn)場試驗(yàn)方案

1.1 鋼波紋板拱橋基本概況

依托工程為海滿一級高速公路樁號K1473+975跨徑13 m 的雙孔鋼波紋管拱橋，該動物通道在不影響已有道路車輛通行的情況下，為已運(yùn)營一級公路上增設(shè)雙孔（單孔13 m）鋼波紋板結(jié)構(gòu)，該動物通道上跨道路，采用大波形板片，且在板片上有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行拼裝連接而成。

鋼波紋板材質(zhì)采用Q355 熱軋鋼板制成，表面進(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理防腐，具有良好的抗凍，耐寒性和較強(qiáng)的耐久性。密封材料應(yīng)具有彈性、不透水，填塞應(yīng)密實(shí)。鋼波紋板拱橋拱頂?shù)奶钔粮叨葹?.5 m。

1.2 鋼波紋板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變測試方案

通過鋼波紋板拱橋內(nèi)壁對施工過程中不同填土高度下拱腳、跨中、8/8 位置布設(shè)切向和軸向應(yīng)變片，測試施工過程中不同填土高度下鋼波紋板拱橋的受力情況。應(yīng)變測試點(diǎn)位布設(shè)：在路中位置下方的鋼波紋板拱橋內(nèi)壁波峰、波谷、波側(cè)處取三個測試斷面，分別在拱橋的拱腳、跨中和8/8 位置布設(shè)應(yīng)變測點(diǎn)，合計18 個測點(diǎn)，測點(diǎn)位置及應(yīng)變片布設(shè)見圖1、圖2。

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

圖 2 拱圈靜態(tài)應(yīng)變測點(diǎn)位置及應(yīng)變片布設(shè)

1.3 鋼波紋板拱橋應(yīng)變測試工況

現(xiàn)場試驗(yàn)時，填土前對鋼波紋板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片進(jìn)行布置。由于現(xiàn)場施工情況較為復(fù)雜，因此，只針對拱頂填土這一種工況進(jìn)行測試和分析，從拱頂+0.2 m 至路基頂，拱頂以上共填土1.5 m。每填土一層，待機(jī)械壓實(shí)后并遠(yuǎn)離拱橋10 m 以外，用靜態(tài)應(yīng)變測試儀進(jìn)行測試，并記錄下數(shù)據(jù)。

表1 測試工況

2 鋼波紋板拱橋應(yīng)變測試結(jié)果分析

2.1 切向應(yīng)變測試結(jié)果分析

2.1.1 波峰隨填土高度增加的切向應(yīng)變

由圖3 分析得出：（1）從整體曲線變化來看，波峰切向位置處均為壓應(yīng)變，且應(yīng)變數(shù)值變化較大；初始拱頂填土0.2 m，拱腳、跨中和8/8 跨位置處應(yīng)變值相對集中，隨著填土高度的增加，跨中位置的應(yīng)變開始逐漸增加；當(dāng)填土0.4 m 時，此時跨中位置處的壓應(yīng)變出現(xiàn)最大值，而拱腳和8/8 跨位置的壓應(yīng)變比較接近。（2）當(dāng)拱頂填土至0.6 m，此時拱腳、跨中和8/8 跨位置處應(yīng)變值變化較小，此時的跨中位置應(yīng)變開始逐漸減小；當(dāng)填土繼續(xù)增加0.8 m 時，跨中位置的應(yīng)變繼續(xù)減小并小于拱腳和8/8 跨位置的應(yīng)變值。（3）填土高度至拱頂1 m 時，跨中位置處壓應(yīng)變減小并出現(xiàn)最小值，拱腳和8/8 跨位置的壓應(yīng)變開始緩慢增加；最后填土至拱頂1.5 m，此時跨中位置壓應(yīng)變又開始出現(xiàn)為增加的趨勢，而拱腳和8/8 跨位置基本趨于穩(wěn)定。

圖3 波峰切向應(yīng)變隨填土高度增加變化規(guī)律

2.1.2 波谷隨填土高度增加的切向應(yīng)變

由圖4 分析得出：（1）波谷切向應(yīng)變值隨填土高度的增加，總體表現(xiàn)為拉應(yīng)變，且各個位置的應(yīng)變值出現(xiàn)逐漸增加的趨勢，不同位置應(yīng)變整體大小關(guān)系為跨中＞拱腳＞8/8 跨。（2）當(dāng)拱頂填土從0.2 m 增加至0.6 m 時，拱腳位置的拉應(yīng)變出現(xiàn)緩慢增長，而跨中位置應(yīng)變增加幅度為先大后小；8/8 跨位置處，小幅度的緩慢增加；填土至0.6 m 時，8/8 跨位置處突然增大，這可能是8/8 跨位置填土初期不夠密實(shí)，后機(jī)械壓實(shí)密實(shí)引起的；之后各位置增長趨于平穩(wěn)。（3）填土高度至拱頂1.2 m，此時8/8 跨位置的拉應(yīng)變值增長并超過拱腳處的應(yīng)變值；填土至拱頂1.5 m時，跨中的應(yīng)變值增大，而拱腳處的應(yīng)變值小幅度增加且大于8/8 跨位置處的應(yīng)變值。

圖4 波谷切向應(yīng)變隨填土高度增加變化規(guī)律

2.1.3 波側(cè)隨填土高度增加的切向應(yīng)變

由圖5 分析得出：（1）波側(cè)位置處的總體應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，其中最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在拱腳位置處，最小壓應(yīng)變出現(xiàn)在跨中位置處。整體壓應(yīng)變的隨著填土高度的增加而增大。（2）當(dāng)拱頂填土0.2 ～0.6 m時，8/8 跨處的壓應(yīng)變出現(xiàn)了先增加后減小的現(xiàn)象，而拱腳和跨中位置處的壓應(yīng)變緩慢增加。（3）隨著填土高度的增加至拱頂填土1 m 時，8/8 跨位置的壓應(yīng)變繼續(xù)減小并小于跨中位置的壓應(yīng)變，隨后又開始迅速增加，當(dāng)拱頂填土1.5 m 時，此時應(yīng)變最小值出現(xiàn)在8/8 跨處，而最大值仍出現(xiàn)在拱腳處。

圖5 波側(cè)切向應(yīng)變隨填土高度增加變化規(guī)律

2.1.4 波峰、波谷和波側(cè)隨填土高度增加切向應(yīng)變對比分析

通過圖3 ～圖5 對比分析得出：（1）不同填土高度下，波峰和波測均為壓應(yīng)變，而波谷為拉應(yīng)變。（2）填土初期波峰、波谷和波測不同位置存在力的重新分布的情況，但填土至后期大小關(guān)系基本確定，鋼波紋板拱橋整體受力趨于穩(wěn)定。（3）通過對比分析，波峰、波谷最大應(yīng)變出現(xiàn)在跨中位置，而波測最大應(yīng)變出現(xiàn)在拱腳位置。最大壓應(yīng)變?yōu)?61 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?87 με，整體上小于鋼材的允許應(yīng)變，鋼波紋板拱橋安全穩(wěn)定。

2.2 軸向應(yīng)變測試結(jié)果分析

2.2.1 波峰隨填土高度增加的軸向應(yīng)變

由圖6 分析得出：（1）波峰的軸向應(yīng)變的變化既有壓應(yīng)變，又有拉應(yīng)變。總體來看，拱腳位置全部為拉應(yīng)變，而跨中位置和8/8 跨位置為壓應(yīng)變。（2）隨著拱頂填土從0.2 m 增加至0.6 m，拱腳位置處的拉應(yīng)變逐漸減小，跨中位置處的壓應(yīng)變值也在減小，相反8/8 跨位置的壓應(yīng)變值逐漸增大。（3）填土高度至0.8 m 時，拱腳位置的拉應(yīng)變值又開始緩慢減小，而跨中和8/8 跨位置處的壓應(yīng)變值近似相等；當(dāng)拱頂填土在1.0 m 時，跨中位置的壓應(yīng)變值減小并小于8/8 跨位置的壓應(yīng)變；填土1.5 m 時，拱腳位置處的拉應(yīng)變值緩慢減小趨于穩(wěn)定，而8/8 跨處的壓應(yīng)變值緩慢增加趨于穩(wěn)定。（4）整體上波峰軸向應(yīng)變以壓應(yīng)力為主，拉應(yīng)力輔，且在拱腳與跨中之間位置存在拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化的過程。

圖6 波峰軸向隨填土高度增加變化規(guī)律

2.2.2 波谷隨填土高度增加的軸向應(yīng)變

由圖7 分析得出：（1）整體來看，拱腳和跨中位置整個填土過程均表現(xiàn)為壓應(yīng)變，而8/8 跨位置處，隨著填土高度增加應(yīng)變值由拉應(yīng)變逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變。（2）初始填土0.2 m 時，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在跨中位置，此時最大拉應(yīng)變則出現(xiàn)在8/8 跨位置；隨著填土高度的增加，跨中位置的壓應(yīng)變逐漸減小；而拱腳位置處，壓應(yīng)變增加，后趨于穩(wěn)定。（3）填土至拱頂0.6 m，此時跨中位置的應(yīng)變值減小且小于拱腳位置處的壓應(yīng)變，8/8 跨處應(yīng)變值逐漸減小；填土至1.2 m 時，8/8 跨位置處由拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)變，接近于0；而拱腳位置處的壓應(yīng)變出現(xiàn)緩慢增加的趨勢。

圖7 波谷軸向隨填土高度增加變化規(guī)律

2.2.3 波峰和波谷隨填土高度增加的軸向應(yīng)變對比分析

由圖6、圖7 對比分析得出：（1）波峰和波谷軸向應(yīng)變相似規(guī)律：隨著填土高度的增加，跨中位置均為壓應(yīng)變，且數(shù)值較大。不同規(guī)律：波峰拱腳為拉應(yīng)變，波谷為壓應(yīng)變；8/8 跨位置波峰為壓應(yīng)變，而波谷拉壓應(yīng)變交替變化。（2）波峰和波谷不同位置主要受壓應(yīng)力，部分受拉應(yīng)力。（3）由于波測的軸向應(yīng)變片施工過程中損壞，因此無測試數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

（1）波峰拱腳和8/8 跨位置的應(yīng)變變化相對平穩(wěn)，而跨中位置的壓應(yīng)變變化趨勢較為明顯，為隨填土高度的增加而減小。波谷切向應(yīng)變隨著填土高度增加而緩慢增大，而軸向應(yīng)變整體的變化較為明顯，且跨中應(yīng)變變化較大。（2）波峰、波谷的軸向應(yīng)變均小于同一位置的切向應(yīng)變，軸向受力為切向受力的有力補(bǔ)充，有利于鋼波紋板結(jié)構(gòu)的整體安全穩(wěn)定。（3）鋼波紋板拱橋建成的動物通道，可減少砂石開采對環(huán)境的破壞，有利于環(huán)保。施工過程中，應(yīng)減小拱周填土的層厚，從而提高壓實(shí)度，使得拱周圍土的側(cè)向支撐作用增強(qiáng)，更好地產(chǎn)生環(huán)壓效應(yīng)，有效地減小鋼波紋板拱橋豎直方向的變形，從而使整個鋼波紋板結(jié)構(gòu)更加安全、穩(wěn)定和可靠。