吳興河

摘要 鋼波紋板拱涵涵背回填一般采用同步、對稱回填工藝，但對于回填范圍廣的大跨度鋼波紋板拱涵存在施工效率低、成本高的問題，宜采用逐孔非對稱回填工藝。文章依托益州大道4-Φ9m鋼波紋板拱涵項(xiàng)目，針對其回填過程進(jìn)行研究，就5種不同施工工況分別建立了采取加強(qiáng)措施與無加強(qiáng)措施的三維有限元模型，對比結(jié)構(gòu)受力變形特性的差異，研究施工過程結(jié)構(gòu)受力的變化以及加強(qiáng)圈對結(jié)構(gòu)受力和變形的提高程度。

關(guān)鍵詞 大跨多孔;加強(qiáng)措施;數(shù)值仿真;應(yīng)力與變形

中圖分類號 U449.83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0160-03

0 前言

波紋鋼板由普通鋼板軋制而成，是具有一定波形和規(guī)格的正交各向異性板材。波紋鋼板整體軋制或者使用高強(qiáng)螺栓相互連接形成鋼波紋板拱涵[1]。鋼波紋板結(jié)構(gòu)依靠自身輕質(zhì)高強(qiáng)、施工速度快、工程費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代了傳統(tǒng)鋼筋混凝土拱涵在公路小橋涵中的地位，被廣泛使用。通過與周圍回填土和波紋鋼板共同受力、共同變形的特點(diǎn)，共同承擔(dān)荷載作用[2-3]。

美國和加拿大最早對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行過深入研究，編制了較為成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范和施工方法[4]，如：AISI法、AASHTO法和CHBDC法等，并將其廣泛應(yīng)用于公路工程。國內(nèi)對此類結(jié)構(gòu)研究起步較晚，最初應(yīng)用于青藏公路多年凍土地區(qū)中，依靠其變形適應(yīng)能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，滿足了凍土地基引起的不均勻沉降，此后，鋼波紋結(jié)構(gòu)在國內(nèi)被逐步推廣[5-6]。目前，國內(nèi)研究主要還集中在小跨徑圓管涵，對于大跨徑覆土波紋鋼板拱涵的研究和經(jīng)驗(yàn)比較匱乏。

波紋鋼板拱涵的發(fā)展方向是適應(yīng)大跨度和復(fù)雜地質(zhì)情況要求[7-8]，為了有效提高結(jié)構(gòu)的抗壓和抗彎能力。對應(yīng)的鋼波紋板加強(qiáng)措施也被逐漸開發(fā)應(yīng)用，如：泡沫混凝土回填、合理級配砂礫石回填、附加波紋板加勁肋、混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)、減壓板等。

混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)是在波紋鋼板上部增設(shè)錨固螺栓、橫向短鋼筋和縱向受力筋，并澆筑混凝土形成的組合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使波紋鋼管道具有較大的剛度，而且可以全截面加固。其受力性能不同于單純的波紋鋼拱涵，設(shè)計(jì)計(jì)算也不能采用文章所述的設(shè)計(jì)方法，只能依賴于有限元分析，若配合回填輕質(zhì)土，可大大提高結(jié)構(gòu)的承載能力[9-11]。

該文針對混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)系統(tǒng)，研究有無加強(qiáng)系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)受力和變形特性造成的差異，從應(yīng)力和變形的計(jì)算結(jié)果分析施工過程中加強(qiáng)圈的加強(qiáng)效果，探討了加強(qiáng)措施承擔(dān)荷載的特點(diǎn)，對大跨徑覆土波紋鋼板拱涵的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，為重點(diǎn)檢測位置提供了合理建議。

1 工程概況與有限元模型建立

1.1 工程背景

眉山市益州大道南延線工程柴桑河規(guī)劃河道項(xiàng)目設(shè)置4孔鋼波紋板拱涵，鋼波紋板波形為381 mm×140 mm×

8 mm（波長×波高×壁厚）。橋涵截面形式選用半圓形，每孔跨徑均為9.0 m，矢高4.5 m，管頂填土高8.5 m。管涵結(jié)構(gòu)材料使用Q355鋼材，混凝土采用C30。每間隔12個(gè)波紋布設(shè)一條混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)系統(tǒng)，具體尺寸如圖1所示。

1.2 模型建立

使用通用有限元分析軟件ANSYS分別對施工過程中典型的5種工況建立有無混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)系統(tǒng)兩類共10個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，分析有無加強(qiáng)系統(tǒng)對該多孔覆土大跨徑波紋鋼拱涵受力性能的加強(qiáng)效果。

鋼材采用shell63單元，土體采用solid45單元。其中鋼材的關(guān)鍵參數(shù)：彈性模量取2.06×105 MPa，密度取1.9×103 kg/m3，泊松比取0.3。混凝土的關(guān)鍵參數(shù)：彈性模量取30 MPa，密度取2.4×103 kg/m3，泊松比取0.2。土體的關(guān)鍵參數(shù)：彈性模量取35 MPa，密度取1.9×103 kg/m3，泊松比取0.25。

考慮土體—結(jié)構(gòu)相互作用，側(cè)邊土體取1倍跨徑，對整個(gè)結(jié)構(gòu)施加重力荷載。模型為三維，沿拱軸向取36個(gè)波長，除頂面和填土行進(jìn)方向端面自由約束外其他4個(gè)面采用鉸接。施工到整體回填后，由于該模型結(jié)構(gòu)和荷載都對稱，為了節(jié)約計(jì)算資源，縮短計(jì)算時(shí)長，可以考慮對一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立兩孔模型，使用對稱約束進(jìn)行簡化。施工過程有限元模型如圖2所示。

2 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施研究

2.1 計(jì)算結(jié)果

建立典型施工工況有限元模型：（1）工況1，一號拱單側(cè)填土拱頂高0.5 m;（2）工況2，一號拱單側(cè)填土拱頂高0.5 m，一、二號拱間填土2.5 m;（3）工況3，一號拱填土拱頂高0.5 m，二號拱單側(cè)填土拱頂高0.5 m;（4）工況4，拱頂填土0.5 m，中部施加對稱約束;（5）工況5，拱頂填土8.5 m，中部施加對稱約束。

5種工況下有加強(qiáng)系統(tǒng)和無加強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力及其響應(yīng)位置，最大變形及其響應(yīng)位置如表1所示。

結(jié)構(gòu)的變形較小，均遠(yuǎn)未超過規(guī)范限值180 mm，對結(jié)構(gòu)的安全不起控制作用。在無加強(qiáng)圈的情況下，結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為178.576 MPa，如圖3（a）所示，超過考慮安全系數(shù)為2.0后的最大等效應(yīng)力177.5 MPa，不滿足規(guī)范要求，需要設(shè)置加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)系統(tǒng)在工況5的8.5 m填土荷載作用下，結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的鋼模板拱腳處，如圖3（b）所示，并未發(fā)生在鋼波紋板結(jié)構(gòu)上。說明在填土荷載作用下鋼模板也會承擔(dān)一定的荷載，需要考慮鋼模板的局部承載能力。

在回填第一孔即工況1、2時(shí)，最大等效應(yīng)力均發(fā)生在拱腳偏上處。在回填第二孔即工況3、4、5時(shí)，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳位置。施工過程中結(jié)構(gòu)最不利位置均發(fā)生在波峰處。

工況1和工況2最大等效應(yīng)力出現(xiàn)第一孔外側(cè)拱腳，工況3最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在第二孔外側(cè)拱腳，工況4最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在第二孔內(nèi)側(cè)拱腳，工況5最大等效應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)在鋼模板之上，

在拱涵非對稱回填，填土較低時(shí)最大變形發(fā)生在拱腰處，當(dāng)拱頂填土達(dá)到一定高度時(shí)，結(jié)構(gòu)最大變形在發(fā)生拱頂。

2.2 對比分析

相對于無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)總體變形特征并未產(chǎn)生明顯變化，在回填完成后，仍是管頂下?lián)?，兩?cè)管腰向外凸出，但變形和等效應(yīng)力比未加強(qiáng)時(shí)大幅減小。

從計(jì)算結(jié)果可以得出，無論有無加強(qiáng)系統(tǒng)，對比工況2、工況3和工況4，如表2所示，隨著拱間填土增加，結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和變形最大值先增大后減小。說明在填土過程中土體之間會存在相互作用，形成土拱效應(yīng)，有利于結(jié)構(gòu)的受力。

3 結(jié)論

（1）跨徑9 m厚度8 mm的多孔鋼波紋板應(yīng)用在覆土8.5 m的橋涵結(jié)構(gòu)時(shí)，拱腳處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，不能很好地滿足設(shè)計(jì)使用需求，需要采取加強(qiáng)措施。變形對鋼波紋板拱涵不起控制作用，在填土荷載作用下應(yīng)力響應(yīng)程度往往大于變形響應(yīng)程度。按照該結(jié)構(gòu)布置的混凝土—鋼波紋板疊合梁加強(qiáng)系統(tǒng)，回填完成后，最大等效應(yīng)力和最大變形均減小了約20%。

（2）施工過程中最大位移出現(xiàn)在拱腰，填土達(dá)到一定高度后，拱頂位移最大，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的拱腳或者拱腳偏上處，需要對這幾個(gè)位置進(jìn)行重點(diǎn)檢測。

（3）填土成拱之后，土體之間存相互作用，形成土拱效應(yīng)，有利于結(jié)構(gòu)的受力與變形。

參考文獻(xiàn)

[1]公路波紋鋼管（板）橋涵設(shè)計(jì)與施工規(guī)范：DB 15/T 654—2013[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2013.

[2]楊海， 徐國戰(zhàn). 波紋鋼板管涵在A30公路中的應(yīng)用[J]. 上海公路， 2006（4）： 30-32+5.

[3]李百建， 朱良生， 符鋅砂. 基于剛度等效的鋼波紋板疊合梁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2018（12）： 111-120.

[4]馮芝茂. 覆土波紋鋼板橋涵土與結(jié)構(gòu)相互作用分析及設(shè)計(jì)方法研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2009.

[5]李祝龍， 章金釗. 高原多年凍土地區(qū)波紋管涵應(yīng)用技術(shù)研究[J]. 公路， 2000（2）： 28-31.

[6]張孟東. 覆土波紋鋼板橋涵動力及穩(wěn)定分析[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2010.

[7]Esra Bayoglu Flener， Raid Karoumi， Hakan Sundquist. Field testing of a long span arch steel culvert during back-filling and in service[J]. Structure and Infrastructure Engineering， 2005（3）： 181-188.

[8]Esra Bayoglu Flener. Response of long-span box type soil steel composite structures during ultimate loading tests[J]. Journal of Bridge Engineering， 2009（6）： 496-506.

[9]劉保東， 李雨株， 王全錄， 等. 大跨覆土波紋鋼板拱橋結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013（4）： 24-29.

[10]李百建， 符鋅砂， 江孝禮. 波紋鋼板-混凝土鋼合梁在舊橋加固中的應(yīng)用技術(shù)[J]. 公路， 2016（10）： 77-80.

[11]馬吉. 開截面鋼波紋板在中小橋涵改造工程中的應(yīng)用研究[D]. 廣州：華南理工大學(xué)， 2016.