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        高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

        2016-04-09 09:58:30李百建鐘星鳴
        四川水泥 2016年10期
        關(guān)鍵詞:橋涵波紋波紋管

        李百建 鐘星鳴 李 奎

        (廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院 建筑工程系 廣東省 廣州市 510000)

        高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初探

        李百建 鐘星鳴 李 奎

        (廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院 建筑工程系 廣東省 廣州市 510000)

        分析了鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和工作機(jī)理,介紹了基于環(huán)壓理論的鋼波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論及方法,結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì),對(duì)高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。

        鋼波紋板橋涵;環(huán)壓理論;設(shè)計(jì);構(gòu)造

        1.引言

        鋼波紋板橋涵作為一種典型的空間結(jié)構(gòu),具備鋼結(jié)構(gòu)所特有的良好的延性,抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度較高,構(gòu)件結(jié)構(gòu)斷面小、自重輕,施工速度快,可提供大跨度結(jié)構(gòu)等特點(diǎn),與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土涵洞和小跨徑橋梁相比,鋼波紋板橋涵具有強(qiáng)度高、耐久性好、受力性能好、抗變形能力強(qiáng)、美觀、建成后無(wú)需養(yǎng)護(hù)等工程特點(diǎn),而其所具有的良好的柔性和高強(qiáng)度,使得這種新型橋涵結(jié)構(gòu)在防災(zāi)、救災(zāi),應(yīng)急、搶險(xiǎn)等方面更是具有不可替代的作用[2]。本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目設(shè)計(jì),對(duì)高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。

        2.鋼波紋板橋涵設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

        波形鋼板是將一定尺寸的結(jié)構(gòu)用鋼板壓制成波紋形狀的特定規(guī)格的結(jié)構(gòu)用鋼板。由于波紋的存在,增大了鋼板的抗彎慣性矩,使之具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。將鋼板拼接形成的結(jié)構(gòu)物可通過(guò)土——鋼的共同作用來(lái)承擔(dān)荷載。

        鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括荷載計(jì)算、波形鋼板結(jié)構(gòu)物驗(yàn)算、連接部強(qiáng)度驗(yàn)算、施工過(guò)程驗(yàn)算、最小填土高度驗(yàn)算、波形鋼板基礎(chǔ)驗(yàn)算等內(nèi)容。

        3.高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

        本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,對(duì)高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。依托工程是河南省某快速通道北延二期工程,鋼波紋板管涵的布置位置在樁號(hào)K25+140處,平行布置兩個(gè)直徑4m的涵管,凈距為2.54m,涵頂最大覆土高度為20m,地基承載力高于0.22Mpa,抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.2g,荷載為公路一級(jí)。土體的容重為26KN/m3;土體的割線模量 Es=12MPa;最大覆土高度H=20m;波紋鋼抗拉強(qiáng)度 Fy=230MPa;波紋鋼極限抗拉強(qiáng)度 Fu=350MPa;波紋鋼彈性模量 E=2.1×105MPa;波紋鋼剪切模量G=0.81×105MPa;波紋管規(guī)格為波紋鋼板件 CSPS D4000《公路涵洞通道用波紋鋼管(板)》,其截面參數(shù)如下:波距l(xiāng)=150mm、波高d=50mm、壁厚t=6.5mm、波峰波谷半徑r=28mm,拼接采用高強(qiáng)度螺栓規(guī)格為M20,波紋鋼板截面面積A=8.04mm2/mm,慣性矩Ix=2339mm4/mm,旋轉(zhuǎn)半徑ix= 17mm、iy=87mm。

        基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用 C30,回填材料選擇壓縮性小、耐久性強(qiáng)的碎石、砂礫或其混合物,回填材料的最大粒徑不應(yīng)大于波谷半徑的1/2。

        本工程為鋼波紋板圓管涵,跨徑小于6m,一般采用AISI設(shè)計(jì)方法[4]。此方法采用環(huán)壓理論,該理論是美國(guó)猶他州立大學(xué)KW.Reynold博士在美國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)(AISI)的贊助下通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出的。適用于跨徑小于6m的波紋鋼板圓管涵。

        3.1 荷載計(jì)算

        對(duì)于覆土高度大于管涵跨徑的情況,需要對(duì)荷載進(jìn)行折減。一般來(lái)講,當(dāng)土體作用在波紋鋼板結(jié)構(gòu)物(柔性結(jié)構(gòu))時(shí),波形鋼板可產(chǎn)生較大變形,使得結(jié)構(gòu)物由圓形變成橢圓,擠壓兩側(cè)土體。土體收到擠壓形成被動(dòng)土壓力,約束結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變形。土體對(duì)結(jié)構(gòu)的約束做用與填土壓實(shí)度有關(guān),隨著填土壓實(shí)度的增大,土體對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用就越強(qiáng);反之就越小。在結(jié)構(gòu)計(jì)算中通過(guò)減少土壓力的方法來(lái)考慮這種約束的有利作用。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),一般填土壓實(shí)度取為 85%,荷載折減系數(shù)為0.86,從而作用在結(jié)構(gòu)物上部的總荷載為449.5KN/m2.

        3.2 環(huán)向壓力

        環(huán)向壓力理論[5]認(rèn)為,在深埋的地下圓弧形結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)周圍土壓力分布的不均勻性對(duì)管壁推力的大小和分布的影響很小,對(duì)于覆土波紋鋼板橋涵,由于其固有韌性,垂直方向的總荷載(恒載+活載)使管壁發(fā)生變形,擠壓兩側(cè)土體,回填土體受到擠壓后形成被動(dòng)土壓力,隨著變形增大,土體與管壁承擔(dān)的荷載重新分布,調(diào)整的結(jié)果使管壁周圍的土壓力趨于均勻環(huán)壓狀態(tài),從而提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)認(rèn)為環(huán)向壓力是一致的,管壁應(yīng)具有足夠強(qiáng)度來(lái)承擔(dān)這種徑向壓力。環(huán)向壓力為899kg/cm

        3.3 管壁容許應(yīng)力

        當(dāng)跨度較大時(shí)(特別是跨度大于覆土厚度時(shí)),結(jié)構(gòu)常常在管壁達(dá)到屈服之前就已達(dá)到破壞。這時(shí)就不得不考慮結(jié)構(gòu)的屈曲破壞了。實(shí)際上,考慮到埋置結(jié)構(gòu)的幾何非線性、土的材料非線性、結(jié)構(gòu)中塑性鉸的形成等因素,對(duì)于覆土波紋鋼板橋涵的屈曲分析是比較困難的。多數(shù)規(guī)范通過(guò)類比中心受壓柱的屈曲理論結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)導(dǎo)出設(shè)計(jì)公式。

        本工程D/r=4000/17=235,?。?/p>

        fb=fy=230Mpa

        則管壁容許應(yīng)力用fc表示為:

        fc=fb/2=115Mpa=1150kg/cm2

        3.1 波形鋼板強(qiáng)度校核

        若使波紋鋼板結(jié)構(gòu)物滿足正常使用功能,必須滿足外荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力小于結(jié)構(gòu)抗力。

        Pc=C/A=899/0.804=1118.2kg/cm2<1150kg/cm2

        經(jīng)上述驗(yàn)算,波紋鋼板強(qiáng)度滿足要求。

        3.4 最小覆土高度驗(yàn)算

        波形鋼板結(jié)構(gòu)物是柔性結(jié)構(gòu),其上部荷載是由結(jié)構(gòu)物和土體的相互作用來(lái)共同承擔(dān)。同時(shí)由于土的約束作用來(lái)提高結(jié)構(gòu)的承載力,土在這一過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的角色,然而結(jié)構(gòu)的破壞可能最初是由于拱上覆土的剪切滑移破壞和拉裂破壞導(dǎo)致的,各國(guó)規(guī)范中,主要通過(guò)限制拱上覆土的最小埋深來(lái)避免此類破壞。設(shè)計(jì)最小覆土厚度的另一原因是由于各國(guó)現(xiàn)行規(guī)范普遍采用環(huán)向壓力設(shè)計(jì)法,結(jié)構(gòu)內(nèi)力只計(jì)算軸力壓力,忽略彎矩作用,限制最小覆土厚度就是確保荷載引起的彎矩被控制在對(duì)安全設(shè)計(jì)不影響的程度。本工程覆土高度已達(dá)到 20m,滿足最小覆土高度要求。

        3.5 柔度系數(shù)驗(yàn)算

        考慮到波紋鋼板制作和安裝的方便,在無(wú)支撐時(shí)不至于產(chǎn)生較大變形,波紋鋼板結(jié)構(gòu)需要達(dá)到一定的剛度要求。柔度系數(shù)一般與波形的組合以及金屬層厚度有關(guān),采用柔度系數(shù)FF能夠?qū)Ω鞣N波形和不同厚度組合的波紋管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效的控制。美國(guó)規(guī)范中覆土波紋管涵對(duì)于柔度系數(shù)的基本限制值是 0.114mm/N。這個(gè)值取決于結(jié)構(gòu)跨度與波紋鋼板的剛度(彈性模量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量),并且只適應(yīng)用152× 51波形。本工程采用150 ×50波形,可以參考借鑒。

        根據(jù)上述分析及驗(yàn)算,本項(xiàng)目的鋼波紋管柔度系數(shù)滿足施工剛度要求。

        4.結(jié)語(yǔ)

        鋼波紋板橋涵作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式,不僅可以全面取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土涵洞,而且由于其卓越的性能,在各種復(fù)雜、困難的環(huán)境下,金屬波紋管涵也具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性。本文參照國(guó)外的相關(guān)設(shè)計(jì)方法,根據(jù)我國(guó)橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范要求,依托實(shí)際工程項(xiàng)目,對(duì)高填方條件下的大跨徑鋼波紋板管洞結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)算,其思路及方法對(duì)鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)物在我國(guó)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用可以提供借鑒。

        [1]《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)

        [2]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路涵洞通道用波紋鋼管(板)》JT/T791-2010

        [3]湖南金迪波紋管業(yè)有限公司.金屬波紋管涵設(shè)計(jì)及施工指南,2010.12

        [4]Corrugated Steel Pipe Institute.Modern Sewer Design(Canada Edition)[M].Canada Corrugated Steel Pipe Institute,1996.

        [5]馮麗.考慮土——結(jié)相互作用的覆土波紋鋼板圓管涵的力學(xué)性能分析[D].北京交通大學(xué).2010.07.

        U448.22

        A

        1007-6344(2016)10-0051-01

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