公路波紋鋼板拱橋內壁應變及外壁土壓力測試分析

潘小虎，何 強 ，胡 濱

（1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.西安工業大學，陜西 西安 710021；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075）

引言

波紋鋼板橋涵相比混凝土橋梁，具有節約建筑用料、造價低、節省工期、便于保通的優勢[1-3]。通常用于替代臨時或永久性道路橋梁，使用鍍鋅鋼板可防止結構中金屬結構的銹蝕和腐蝕，降低維修時費用，應用前景較為廣闊[4-6]。我國一些科研機構和高校對波紋鋼結構涵洞研究的較多，但對于波紋鋼拱橋研究較少，尤其是對波紋鋼結構的力學特征報道偏少[7-9]。

1 波紋鋼板拱橋現場試驗方案

1.1 基本概況

依托工程為跨徑10 m的鋼波紋板拱橋，國內對此方面的受力性能研究較少，屬于新型結構。波紋鋼板拱橋為波形鋼板拼裝而成的半圓拱結構，采用Q355鋼材，相比混凝土具有施工簡易快捷，不受天氣和氣溫影響的優勢。通過野外現場試驗，測試在施工過程中拱橋內壁應變和外壁土壓力的數值，將其應變值和土壓力值進行理論分析，最終得出相應規律與結論。

1.2 波紋鋼板拱橋內壁應變測試方案

不同填土高度下，測試波紋鋼板拱橋不同位置的切向應變，應變片分別布置在拱橋內壁的波峰、波谷和波側位置，位置見圖1。

圖1 拱橋內壁應變片位置布設

1.3 波紋鋼板拱橋土壓力測試方案

施工填土過程中對拱橋外壁土壓力進行測試，測試不同拱頂填土高度時，拱橋拱周各位置的土壓力變化情況。土壓力盒和應變片的布設點相同，具體測點位置見圖2。

圖2 土壓力測試點位

1.4 波紋鋼板拱橋應變與土壓力測試工況

根據現場試驗，分別對拱周填土測試其應變，對拱頂填土測試其應變和土壓力，見表1、表2。拱周填土共6 m，拱頂填土共1.5 m，每填土一層，待機械壓實結束后并遠離鋼波紋板拱橋，然后再采用靜態應變測試儀與振弦頻率測試儀對應變和土壓力進行同步測試，并記錄相關數據。

表1 拱周測試工況

表2 拱頂測試工況

2 波紋鋼板拱橋現場測試數據分析

2.1 拱周填土切向應變測試結果分析

2.1.1 波峰隨拱周填土增加的切向應變

波峰切向應變規律見圖3。

圖3 波峰切向應變規律

從圖3可以看出：（1）隨著拱周填土高度的增加，整體拉、壓應變趨勢逐漸增加，且拉、壓應變曲線規律具有一定的對稱性。（2）拱周填土0.2 m時，應變值變化較小，填土增加至1.9 m處，拉應變出現應力集中，而壓應變出現小幅減小。當拱周填土至3.1 m 時，拉、壓應變值均出現了突變，并且迅速增加，增幅較大；填土至4.4 m，此時拉應變和壓應變均達到最大值，之后填土高度至6.0 m，拉應變值出現小幅減小，而壓應變逐漸趨于平穩。（3）拱周填土過程中，拉應變位于1/8拱、7/8拱、6/8拱、5/8拱和2/8拱位置，且最大拉應變出現在1/8拱位置；而3/8拱、拱頂、拱腳和8/8拱均為壓應變，最大壓應變在8/8拱位置。當填土增加至1.9 m時，發生了應力集中，施工中應注意重點觀測并記錄數據。

2.1.2 波谷隨拱周填土增加的切向應變

波谷切向應變規律見圖4，分析得出：（1）相比波峰，波谷應變值略小。拱周初始填土，拉壓應變同時存在并呈交替變化趨勢。拱周填土1 m，拱腳、3/8拱、拱頂、8/8拱均為拉應變，而壓應變出現在1/8拱、2/8拱、5/8拱、6/8拱和7/8拱處；拱周填土 1.9 m，拉、壓應變值均出現緩慢減小，當填土至3.1 m， 拉、壓應變均在此時發生突變，應變值迅速增大，或許由于施工前期，機械壓實度不足，后壓實度增加引起；填土后期4.4～6.0 m，拉、壓應變值出現緩慢增長并逐步趨向穩定。（2）填土至1.9 m，此時拉、壓應變均出現應力集中，而填土過程最大壓應變出現在1/8拱位置，最大拉應變在8/8拱位置。

圖4 波谷切向應變規律

2.1.3 波側隨拱周填土增加的切向應變

波側切向應變規律見圖5。

圖5 波側切向應變規律

從圖5分析得出：（1）波側隨拱周填土增加應變逐漸增大，應變變化趨勢相比波峰、波谷略小。整個填土過程中，拱頂為拉應變，而拱腳和8/8拱為壓應變。（2）初始填土0.2～1.9 m，拱頂位置應變緩慢增加，而拱腳和8/8拱處壓應變先緩慢增加后迅速增大；拱周填土1.9～4.4 m時，拱頂出現最大拉應變，而拱腳和8/8拱處壓應變呈小幅增長規律；后期填土至6.0 m，拱腳、拱頂和8/8拱的拉、壓應變值逐漸趨于平穩。

2.1.4 波峰、波谷和波側隨拱周填土增加的切向應變分析

通過圖3～圖5對比，分析得出：（1）波峰拱腳處壓應變最大，且應變值相比波谷與波側較大。波谷拉應變和壓應變的變化規律與波峰正好形成互補。拱周填土1.9 m時，波谷各個位置出現拉、壓應變交替的現象，而波峰出現應力集中。（2）拱周填土過程中，波峰應變值出現了突變，拱頂位置出現拉壓應變交替的現象，并隨填土高度增加逐漸趨向于穩定。波側位置在整個填土過程，應變值先增大后趨于平穩，而拱腳和8/8拱位置為壓應變，整趨勢小幅增加。（3）總體來看，拱周不同填土高度下，波峰、波谷最大應變在1/8拱處，而波側最大應變出現在拱腳位置。最大壓應變為439με，最大拉應變為277με，整體上小于鋼材的允許應變，波紋鋼板拱橋安全穩定。

2.2 拱頂填土切向應變分析

2.2.1 波峰隨拱頂填土增加的切向應變

波峰切向應變規律見圖6。

圖6 波峰切向應變規律

由圖6分析得出：（1）隨著拱頂填土高度增加，波峰應變值緩慢增大，總體來看，拉、壓應變的分布規律與拱周填土相似，拉應變主要分布在1/8拱、5/8拱、2/8拱、6/8拱和7/8拱，而壓應變則分布于3/8拱、拱頂、8/8拱和拱腳位置。（2）起初填土0.2 m， 總體拉應變出現應力集中，而壓應變值較為分散，填土到0.4 m,此時拉應變快速增加，壓應變則緩慢增加，隨拱頂填土不斷增加，應變值增長率減小。（3）后期填土至1.5 m，此時拉應變各位置大小關系：1/8拱＞5/8拱＞2/8拱＞6/8拱＞8/8拱；壓應變各位置大小關系：拱腳＞7/8拱＞拱頂＞3/8拱。其中壓應變最大值位于拱腳，而拉應變最大值則位于1/8拱位置。

2.2.2 波谷隨拱頂填土增加的切向應變

波谷切向應變規律見圖7。

圖7 波谷切向應變規律

由圖7分析得出：（1）拱頂填土過程中，波谷應變變化規律與波峰恰好相反，拉應變位于3/8拱、拱頂、8/8拱和拱腳位置。而壓應變出現在1/8拱、2/8拱、5/8拱、6/8拱和7/8拱位置。（2）隨拱頂填土高度的增加，拉壓應變都在逐漸增大，填土0.2～0.6 m，壓應變增幅較大，而拉應變緩慢增加；當填土0.6～1 m時，拉壓應變增幅較小，直至填土1.5 m，拉壓應變幾乎不再變化。（3）填土結束，最大壓應變出現在2/8拱處，其余各位置大小關系：6/8拱＞1/8拱＞5/8拱＞7/8拱；最大拉應變位于拱頂處，大小關系：拱頂＞拱腳＞8/8拱＞3/8拱。

2.2.3 波側隨拱頂填土增加的切向應變

波側切向應變規律見圖8。

圖8 波側切向應變規律

由圖8分析得出：（1）波側隨填土高度增加整體都為壓應變，且隨著填土高度的增加逐漸增大。（2）初期填土0.2～0.8 m，應變值增長較快，而當填土1.2～1.5 m時，壓應變值出現緩慢增長，之后隨填土高度的增加逐漸趨近于平穩。（3）波側各測點壓應變大小關系：拱腳＞8/8拱＞拱頂，且相比較于其它位置，增長斜率較大。

2.3 土壓力測試結果分析

土壓力變化規律見圖9。

圖9 土壓力變化規律

由圖9分析得出：（1）整體土壓力變化規律為逐漸增加。初始填土拱頂0.2～0.4 m時，土壓力逐漸增加。當填土拱頂0.6～0.8 m時，土壓力值開始緩慢增加，拱周不同位置的土壓力大小關系：1/8拱＞6/8拱＞7/8拱＞5/8拱＞拱腳＞2/8拱＞3/8拱＞跨中＞8/8拱。（2）當填土至拱頂0.8 m時，7/8拱和5/8拱土壓力產生了突變，可能是由于施工過程中，小型夯機對鋼波紋板拱橋產生擾動。拱頂填土至1.5m，土壓力增幅較大。最大土壓力在1/8拱處，最小土壓力在8/8拱位置。

3 結語

對跨徑10 m的波紋鋼板拱橋進行現場試驗，測試并分析拱橋不同位置的應變和土壓力，可得結論：（1）拱周填土過程中，波峰與波谷變化規律相似，都在1.9 m填土處出現了應力集中，并在拱周填土3.1 m 時發生突變，整體趨勢是緩慢增加→迅速增加→趨于平穩。（2）拱頂填土過程中，波峰、波谷和波側應變值均隨填土高度緩慢增加，波峰和波谷拉壓應變相反，形成互補。（3）土壓力在拱頂填土過程中，變化趨勢為逐漸增大，初期增張較快，后期緩慢增加。（4）初始填土部分應變數值有波動情況，建議在施工過程中，適當減小拱周填土的厚度，提高壓實度，有利于減緩鋼波紋板拱橋的水平受力與豎向變形，從而使整個拱橋結構更加安全、可靠和穩定。