李敏會(huì)

摘 要：本文基于豎向變位對(duì)公路覆土波紋鋼橋涵進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：對(duì)于下部小直徑的CSSCS，以“卸荷拱”是否出現(xiàn)作評(píng)價(jià)為關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)填土高度超過(guò)“土拱”高度時(shí)，以填土路基作為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用彎沉值作為評(píng)價(jià)指標(biāo);填土高度不超過(guò)“土拱”高度，采用橋涵的評(píng)價(jià)體系，采用撓度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于下部大直徑的CSSCS，由于結(jié)構(gòu)上部填土具有吸收沖擊荷載和濾波作用，常規(guī)的動(dòng)力參數(shù)并不適用，仍建議采用撓度作為長(zhǎng)期安全性控制指標(biāo)，建議就此結(jié)構(gòu)提出新的撓度限值。

關(guān)鍵詞：覆土波紋鋼結(jié)構(gòu);撓度;豎向變位;評(píng)價(jià)體系

中圖分類號(hào)：U441.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）10-0092-04

Evaluation of Corrugated Steel Bridges and Culverts on Highway Covering Soil Based on Vertical Displacement

LI Minhui

（Qiannan Prefecture Communications Construction Company，Qiannan Guizhou 558000）

Abstract： Based on the vertical displacement， the paper evaluated the corrugated steel bridge and culvert covered with soil. The results show that： for the lower small diameter csscs， the key point is whether the "unloading arch" appears or not. When the filling height exceeds the "soil arch" height， the filled subgrade is taken as the evaluation object， and the deflection value is taken as the evaluation index; The evaluation system of bridge and culvert is adopted， and the deflection is used as the evaluation index. For csscs with large diameter in the lower part， the conventional dynamic parameters are not applicable due to the impact load absorption and filtering effect of the upper fill. It is suggested that the deflection should be used as the long-term safety control index， and a new deflection limit should be proposed for this structure.

Keywords： CSSCS;vertical displacement;unloading arch;evaluation system

1 研究背景

近年來(lái)，公路工程新結(jié)構(gòu)得到快速發(fā)展和應(yīng)用。覆土波紋鋼結(jié)構(gòu)（Corrugated Steel Structural Covered with Soil，CSSCS）作為一種新的“鋼-土組合結(jié)構(gòu)”，主要以下部的波紋鋼結(jié)構(gòu)和做用于其上的回填土體共同作為承載體系，見(jiàn)圖1和圖2。波紋鋼結(jié)構(gòu)徑向的波紋增加了截面剛度，縱向?yàn)槎鄠€(gè)波紋的擴(kuò)展，具有一定的彈簧效應(yīng)，能較好地適應(yīng)地基變形，能在一定程度上解決因地基不均勻沉降引發(fā)的構(gòu)造破壞問(wèn)題，該結(jié)構(gòu)先后在國(guó)內(nèi)多地得到應(yīng)用[1]。

隨著CSSCS單跨跨徑增大，其面臨的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性問(wèn)題也逐漸凸顯?，F(xiàn)行的波紋鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范并沒(méi)有對(duì)此做出明確要求[2-11]。因此，完善與覆土波紋鋼結(jié)構(gòu)體系對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將愈發(fā)迫切。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 理論基礎(chǔ)

CSSCS橋涵主要有閉口和開(kāi)口兩種構(gòu)造形式，均基于“卸荷拱理論”和“環(huán)壓理論”。馮忠居等指出，當(dāng)作用于圓管形結(jié)構(gòu)上部的填土達(dá)到一定高度時(shí)，在圓管頂部逐漸形成一個(gè)能夠承擔(dān)上部荷載的拋物線型“土拱”[12-13]。隨著填土高度的增加，由于“土拱”的承載作用，作用于圓管頂部的荷載占比相對(duì)逐漸減小，起到“卸荷”作用。顧安全等認(rèn)為，管型結(jié)構(gòu)與其周邊的土體之間存在相互摩擦作用[14-15]。填土不高時(shí)，在豎向荷載作用下，作用于圓管的法向和切向摩擦較為顯著，圓管呈不均勻受力狀態(tài)，變形為橢圓，并對(duì)兩側(cè)回填土體產(chǎn)生擠壓作用。隨著回填土體高度增加，管型結(jié)構(gòu)受到兩側(cè)土體的反作用增大，切向摩擦作用降低，結(jié)構(gòu)恢復(fù)成圓形，逐漸呈環(huán)向受壓的狀態(tài)。馬德文等認(rèn)為，“卸荷拱”形成后，“土拱”可承擔(dān)約40%的上部荷載，波紋鋼管型結(jié)構(gòu)承擔(dān)約60%的荷載，管體呈環(huán)向受壓狀態(tài)。同條件下，管徑越小、管型結(jié)構(gòu)的環(huán)剛度越大，“土拱”形成越早;反之，管徑越大，“卸荷拱”越難以形成[16-17]。環(huán)向受壓狀態(tài)如圖3所示，卸荷拱形成機(jī)理如圖4所示。

2.2 波紋鋼變形特點(diǎn)

采用合適的有限元軟件，模擬分析工程技術(shù)問(wèn)題，是工程領(lǐng)域普遍采用的技術(shù)方法。鑒于CSSCS具有較強(qiáng)的幾何非線性和材料非線性，研究者通常采用有限元分析結(jié)合模型試驗(yàn)的方法展開(kāi)研究[18-20]。

2.2.1 閉口圓形截面。烏延玲對(duì)波紋板材型號(hào)為124 mm×25 mm×3 mm的圓管形CSSCS展開(kāi)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固定填土高度，增加管徑，CSSCS的豎向變形呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。當(dāng)管徑增大到一定限值后，變形增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯。這說(shuō)明管徑增加到一定程度后，波紋鋼管成為主要的承載構(gòu)件，且管徑越大，越不利于整體結(jié)構(gòu)承載;反之，管徑越小，整體剛度越大，利于“土拱”的形成，利于結(jié)構(gòu)承載[21]。

2.2.2 開(kāi)口異形截面。彭賢明采用的波紋板材型號(hào)為400 mm×140 mm×5.45 mm，開(kāi)口異形截面，如圖5所示，對(duì)單跨10 m的CSSCS小橋開(kāi)展研究。結(jié)果顯示，當(dāng)填土高度為1.5 m時(shí)，CSSCS跨中頂部最大豎向位移為32.02 mm，對(duì)應(yīng)位置的波紋鋼豎向位移為24.89 mm;當(dāng)覆土高度增加到5.5 m時(shí)，CSSCS跨中頂部最大豎向位移為81.04 mm，對(duì)應(yīng)位置的波紋鋼豎向位移為65.10 mm。此外，隨著填土高度的增加，結(jié)構(gòu)豎向位移呈現(xiàn)出近乎線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)位置填土的豎向變形也同步以線性趨勢(shì)增長(zhǎng)，最大值為15.94 mm，約占總豎向位移的20%[22]。由此可見(jiàn)，異形截面CSSCS的主要承載構(gòu)件為波紋鋼，以受彎變形為主，整體的豎向位移較大，其中土體變形占有較大比重。

2.2.3 開(kāi)口半圓管截面。李雨株采用的波紋板材型號(hào)為400 mm×150 mm×7 mm，開(kāi)口半圓管形截面，如圖6所示，對(duì)單跨12 m的CSSCS小橋開(kāi)展研究。結(jié)果顯示，增加填土高度，結(jié)構(gòu)變形持續(xù)增大。當(dāng)填土高度增大到一定程度后，結(jié)構(gòu)變形更加明顯。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)顯示，填土高度為0.8 m，汽車(chē)荷載后軸作用于中線位置時(shí)，結(jié)構(gòu)豎向位移為28 mm，此時(shí)波紋板的最大應(yīng)力為150 MPa[23]。

蒲廣寧等采用波紋板材型號(hào)為400 mm×150 mm×7 mm，分別對(duì)開(kāi)口半圓管截面和開(kāi)口異形截面、跨徑為8～20 m的CSSCS小橋進(jìn)行分析。結(jié)果表明，開(kāi)口半圓管截面具有更好的受力和變形狀態(tài);拱肩加強(qiáng)后的開(kāi)口異形截面、單跨13 m跨徑CSSCS的撓度依然達(dá)到約40 mm[24]。

對(duì)比上述研究者的成果可知，CSSCS具有豎向變形大、變形值離散大的特點(diǎn)。其豎向變形大，主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)整體偏向柔性，具有較大的變形能力。變形值離散大，主要有以下幾個(gè)方面的原因：材料和結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的非線性，所采用的有限元模型差異性，所采用的結(jié)構(gòu)截面線型差異性，所采用的板材型號(hào)差異性以及填土材料和填土高度差異等。

2.3 橋梁撓度控制

《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）顯示，鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支或連續(xù)板梁橋的撓度限制為L(zhǎng)/500（L為橋梁?jiǎn)慰缈鐝剑25];美國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)撓度限值委員會(huì)給出的簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的撓度限制為L(zhǎng)/800，懸臂梁橋撓度限制為L(zhǎng)/300[26]?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）提出，鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力受彎構(gòu)件長(zhǎng)期撓度值不應(yīng)超過(guò)計(jì)算跨徑的L/600[27]。陳寶春等認(rèn)為，撓度值的設(shè)定主要是為了控制橋梁振動(dòng)，而一般拱橋的剛度較大，撓度實(shí)測(cè)值均小于撓度限值，且國(guó)際上也主要以動(dòng)力參數(shù)代替撓度限值的規(guī)定，因此，規(guī)范中并未對(duì)拱橋撓度提出限制要求[26]。郭力源通過(guò)對(duì)低填方路基的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛以40 km/h行進(jìn)時(shí)，公路鋼波紋板結(jié)構(gòu)的拱頂最大動(dòng)撓度為1.074 mm，約為結(jié)構(gòu)跨徑的L/400[28]?？紤]到CSSCS變形大的特點(diǎn)，現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于撓度的條文并不能適用于該結(jié)構(gòu)，仍需要對(duì)該結(jié)構(gòu)的撓度控制值提出專項(xiàng)要求。

2.4 路基彎沉控制

路基剛度特性主要通過(guò)路基彎沉值體現(xiàn)?！豆饭こ藤|(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）提出，土方路基實(shí)測(cè)彎沉值應(yīng)滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求[29]。王崇濤對(duì)西戶公路各測(cè)點(diǎn)的彎沉值（0.01 mm）檢測(cè)結(jié)果顯示，彎沉值最大為100，最小為4[30];王理吉對(duì)新疆地區(qū)多條公路的路面彎沉統(tǒng)計(jì)顯示，最大彎沉值為206，最小為24.7[31];林榕對(duì)佛山地區(qū)某高速路面彎沉檢測(cè)表明，彎沉值最大為31.7，最小為3.3[32]。由此可見(jiàn)，彎沉值普遍較CSSCS撓度值小很多，兩者耦合在一起時(shí)，可能被撓度值覆蓋。CSSCS綜合了橋梁與填土路基的兩種構(gòu)造形式和工藝，也導(dǎo)致了在檢測(cè)控制指標(biāo)上的復(fù)雜性。

3 研究現(xiàn)狀分析

“卸荷拱理論”表明，在填土達(dá)到一定高度后，土體內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)“土拱”，但有限元分析和試驗(yàn)均顯示，填土高度較低時(shí)，多數(shù)開(kāi)口型CSSCS結(jié)構(gòu)并沒(méi)有如圓形涵管一樣出現(xiàn)更為有利的鋼-土共同作用，“土拱”效應(yīng)并不顯著，波紋鋼結(jié)構(gòu)仍是主要的受彎承載構(gòu)件。

對(duì)于小直徑/跨徑CSSCS，隨著填土高度增加，CSSCS構(gòu)件所受壓力將逐漸呈現(xiàn)均勻化，此時(shí)波紋鋼結(jié)構(gòu)以環(huán)向受壓為主。對(duì)于大直徑/跨徑CSSCS，波紋鋼板自身的剛度難以支撐上部填土至“土拱”形成，其變形和撓度仍是結(jié)構(gòu)安全性的首要控制點(diǎn)。

在進(jìn)行路基路面檢測(cè)時(shí)，采用小直徑/跨徑CSSCS的路段，填土路基增加了CSSCS整體的剛度，有利于承載和控制變形。對(duì)于大直徑/跨徑CSSCS的路段，通常因填土達(dá)不到特定的高度，CSSCS仍以豎向受彎變形為主，出現(xiàn)撓度值“吃掉”彎沉值的現(xiàn)象。

4 結(jié)論與建議

對(duì)于下部小直徑的CSSCS，以“卸荷拱”是否出現(xiàn)作評(píng)價(jià)為關(guān)鍵點(diǎn)，當(dāng)填土高度超過(guò)“土拱”高度時(shí)，以填土路基作為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用彎沉值作為評(píng)價(jià)指標(biāo);填土高度不超過(guò)“土拱”高度，采用橋涵的評(píng)價(jià)體系，采用撓度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

對(duì)于下部大直徑的CSSCS，由于結(jié)構(gòu)上部填土具有吸收沖擊荷載和濾波作用，常規(guī)的動(dòng)力參數(shù)并不適用，仍建議采用撓度作為長(zhǎng)期安全性控制指標(biāo)，建議就此結(jié)構(gòu)提出新的撓度限值。

板材型號(hào)越大，結(jié)構(gòu)剛度越大，利于承載和控制變形，建議對(duì)多種板材型號(hào)的CSSCS開(kāi)展研究，就各種型號(hào)的板材提出適用范圍。

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