浅谈波纹钢板在桥涵中的应用

王益博

本文结合工程实例，分析了波纹钢板结构制作工艺，主要包括结构材料、筋带、连接件等，在此基础上对波纹钢板桥涵结构的三种截面形式进行比选，通过数值模拟分析对比，优化波纹钢板截面选型，确保波纹钢板桥涵施工的经济效益和社会效益。

钢波纹板;桥涵结构;截面形式比选

波纹钢板结构作为弥补混凝土结构缺陷的替代品，目前已大量应用于我国公路工程当中。波纹钢板是一种新型结构，将4.0 mm～8.0 mm厚度的板材通过波纹成型技术增加强度，再通过一系列的加工组装最终成型。波纹钢板结构是一种空间钢结构，因其具有一定的抵抗变形能力，所以波纹钢板桥涵拥有一定的适应地基与基础变形能力，能有效避免因地基基础不均匀沉降而导致桥涵结构的破坏。波纹钢板因纵向波纹的存在，提高了钢板的承载能力，纵向和径向可同时承担因外界荷载引起的变形，很大程度上避免了应力集中现象的出現。波纹钢板作为一种现代的新型建筑材料，具有抗破坏性能强，强重比大，耐火性能好，耐腐蚀，安装便利，无须养护和适应多种环境等优点。

波纹钢板桥涵截面形式分为开口和闭口截面，本设计属于小跨度桥涵，通常采用闭口截面形式。闭口形式的涵洞通常用于跨度较小情况，它们不需要混凝土基础，造价相对比较低。很多国外的规范也建议尽量采用闭口截面，以自然形成的河床材料填充，作为车辆、行人以及野生动物的通道，以此保护生态环境。常见的闭口线形涵洞有圆形、水平椭圆、竖向椭圆和管拱等。本次设计选用6 m跨度覆土波纹钢板桥涵结构，选择三种闭口截面形式：圆、水平椭圆和管拱形式。三种截面均依托衡水益通金属制品有限公司的实际波纹管的型号建立，使用钢材种类Q235，波纹钢板波形为200 mm×55 mm。圆形型号为YTHG-6-t，跨度为6 m;椭圆形型号为YTHG-（6.0×5.0）-t，跨度×矢高（m）6×5;管拱型号为YTMT-6.0-4.5，跨度*矢高（m）6×4.5。本工程公路为二级公路，设计荷载为公路——I级，桥跨6 m，路基高度8m。利用ANSYS有限元软件，比选出圆形、水平椭圆形、管拱形管涵截面在填土高度为8m的条件下结构受力情况最佳的方案。

波纹钢板（面板）结构采用壁厚5.5 mm的Q235碳素结构钢或Q345低合金高强度结构钢制作，长 6000 mm，宽1280 mm，波距 400 mm，波高或波深150 mm。防腐镀锌平均厚度≥84μm（ 或≥ 600 g/m ）。

采用 CAT30020B 型钢塑复合筋带，宽30 mm，厚2 mm，拉力6 KN，强度 100.0 MPa、伸长率< 1.0%。

（1）筋带与波纹钢板面板采用 M16 规格的高强度（8.8 s 或10.9 s）螺栓连接。螺栓与筋带连接处为三角形构造，三角形底边长（内）大于筋带宽度 30mm。螺栓用高强度钢垫片，其外形为与波纹钢板波形一致具有凸凹形钢垫片。

（2）基础预埋镀锌冷弯不等边槽，底宽 185 mm× 高边180 mm× 低边 50 mm× 厚度 5.0 mm。槽钢底部采用 M20 螺栓预埋于混凝土中连接槽钢，螺栓（孔）间距为每一波距 400mm。槽钢高边与波纹钢板面板外侧（波峰）连接，采用 M20 规格的高强度（8.8 s）两排螺栓连接，横向螺栓（孔）间距为 400 mm，竖向螺栓（孔）间距为 50 mm。

（3）“L”形波纹钢板斜拉加强筋采用厚 6.0 mm，宽 50mm 的镀锌钢条。

（4）波纹钢板面板上封板采用 165 mm×155 mm×5 mm 角钢，与波纹钢板面板外侧（波峰）连接采用上下两排（层）M16 规格的普通螺栓连接，横向螺栓（孔）间距为400 mm，竖向螺栓（孔）间距为50 mm。

（5）螺栓与钢垫片均采用大于 50μm（≥ 350 g/m）的镀锌防腐层。槽钢、钢条、封板角钢采用平均大于 84μm（ ≥ 600g/m ） 的镀锌层防腐镀锌。

利用ANSYS有限元软件，将三维模型简化为二维模型，采用环向抗弯刚度等效方法。首先要计算出波纹钢板截面转动惯量，然后按照抗弯刚度等效原则，即EI相等，将波纹板等效成转动惯量I相同的普通平板进行分析。分别建立6m跨径的圆形、水平椭圆形、管拱形的二维模型，通过对比分析不同线形覆土波纹钢板桥涵结构受力特点，选出最佳方案。采用软土地基，结构土体的左右边界应采用可竖向滑移的水平支座，结构土体的下边界应采用可竖向铰支座。

波纹钢板采用镀锌Q235A钢，屈服强度为235MPa，容许应力为140MPa，弹性模量为2.06×105MPa。选用200mm×55mm的波形，厚度取5mm。根据内蒙古地方标准《公路波纹钢管（板）桥涵设计与施工规范》，波纹钢板截面特性如表1所示。

模型中波纹钢板由beam3梁单元模拟，实常数选取5mm板厚、200×55 mm波形的等效截面特性：惯性矩I=2080.43mm4，面积A=5.43mm2，弹性模量E1=2.06×105MPa，密度7.8kN/m3，泊松比0.3;土体采用plane82二维平板单元，填土层为砂土，弹性模量E2=15MPa，泊松比取0.3，重度为20kN/m。

相同路基高度结构线型的比较。针对路基高度为8m的情况，分别建立三种线形结构模型，对比分析其受力变形特点，选出最适合的结构线形。路基高度即为管底至回填土顶部的距离，则路基填土高度为8m时，圆形覆土厚度为2m，水平椭圆覆土厚度为3m，管拱形覆土厚度为3.5m。现将三种线形的结构沿跨径方向的轴力图、弯矩图、等效应力图和变形图列出，并在表2中比较分析。

由表2所示，圆形截面只受到轴向压力作用，底部所受轴向压力较大;管拱形截面也只受轴向压力作用，且受力较均匀;椭圆形上部出现了较大的轴向拉力，下部受到压力作用且数值较大。 在剪力比较中，椭圆形所受剪力最大，其次是圆形，管拱形所受剪力较小。在弯矩比较中，圆形截面所受弯矩最小，其次是椭圆形，管拱在拱脚处所受弯矩很大，出现了应力集中的情况。

由表2变形比较中可以看出，管拱形在管顶处出现最大位移;其次是椭圆形在管顶处的变形;圆形管顶处的变形最小。

总之，本文对覆土波纹钢板桥涵的设计进行选型分析，利用ANSYS有限元软件建立有限元模型比较了圆形、水平椭圆形、管拱形三种线形结构在相同路基高度下的轴力、弯矩、剪力和变形，图1-图9所示，得出以下结论：

（1）在路基高度相同的情况下，管拱形出现了受力集中的情况，这是由于圆形和椭圆形都是由一段圆弧线组成的，所以受力比较均匀，而管拱是由不同半径的弧线组成的，而拱脚处曲率半径较小，变化较多，所以在拱脚处所受弯矩较大。

（2）相同路基高度下，管拱变形最大，其次是椭圆形，最后是圆形，这与结构的线形及矢高有关，结构矢高越大，相同路基填土高度结构的拱顶覆土厚度越小，结构受力越小，变形也越小。

（3）经济方面：管拱用钢量最少，其次是椭圆形，最后是圆形，因此管拱最为经济。

根据以上分析，管拱形截面拱脚处产生应力集中，覆土较大，且净空较小，不宜采用。相比椭圆形，圆形矢跨比大，覆土高度较小，变形小，受力合理，因此圆形截面是较为合理的选择。

波纹钢板结构设计简单、自重低、施工工期短、造价低、养护成本较低、有利于环境保护，并且该结构在软土、湿陷性黄土、多年冻土、膨胀土等不良地质条件地区已经得到一定应用。由波纹钢板在桥涵中的应用可知，管拱变形最大，其次是椭圆形，最后是圆形，另外在经济方面，管拱用钢量最少，其次是椭圆形，最后是圆形。因此，我们应该根据实际情况，选择最为科学合理的波纹钢板结构。

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This paper analyzes the manufacturing process of corrugated steel plate structure with engineering examples， mainly including structural materials， ribs， connectors， etc. On this basis， the three cross-sectional forms of corrugated steel bridge and culvert structures are compared and compared through numerical simulation analysis. Optimizing the selection of corrugated steel section to ensure the economic and social benefits of corrugated steel bridge and culvert construction.

steel corrugated plate; bridge and culvert structure; comparison and selection of three cross-sectional forms