跨径13 m 钢波纹板拱桥应变分析

张忠伍，潘小虎，王 磊，何 强，董佳奇，任成飞

（1.中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 110136；2．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075；3.西安中交土木科技有限公司，陕西 西安 710075；4.西安工业大学，陕西 西安 710021）

引言

随着波纹钢产品在国内外公路建设项目中近几十年的应用，验证了钢波纹管（板）桥涵在各种情况下的通用性和安全性[1-3]。钢波纹板（管）桥涵是采用波纹状弧形板（管）通过连接、拼装形成的一种桥涵形式。它采用薄壳钢波纹板结构替代圬工砌体，减少了砂、石用量，同时轴向波纹的存在，能够在桥涵横向和轴向分散应力，从而更好的适应地基变形，解决了许多因地基变形导致的结构破坏问题[4]。考虑到钢波纹管受力性能好、节约资源、利于环境的优势，该钢波纹板桥梁（动物通道）的设计兼顾到材料、结构和功能的关系，在高寒地区采用柔性、高强度的钢波纹板桥梁、通道代替传统的钢筋混凝土和圬工构造物，更具优势，也更有发展前景[5-6]。

1 钢波纹板拱桥现场试验方案

1.1 钢波纹板拱桥基本概况

依托工程为海满一级高速公路桩号K1473+975跨径13 m 的双孔钢波纹管拱桥，该动物通道在不影响已有道路车辆通行的情况下，为已运营一级公路上增设双孔（单孔13 m）钢波纹板结构，该动物通道上跨道路，采用大波形板片，且在板片上有加强结构，进行拼装连接而成。

钢波纹板材质采用Q355 热轧钢板制成，表面进行热浸镀锌防腐处理防腐，具有良好的抗冻，耐寒性和较强的耐久性。密封材料应具有弹性、不透水，填塞应密实。钢波纹板拱桥拱顶的填土高度为1.5 m。

1.2 钢波纹板拱桥内壁应变测试方案

通过钢波纹板拱桥内壁对施工过程中不同填土高度下拱脚、跨中、8/8 位置布设切向和轴向应变片，测试施工过程中不同填土高度下钢波纹板拱桥的受力情况。应变测试点位布设：在路中位置下方的钢波纹板拱桥内壁波峰、波谷、波侧处取三个测试断面，分别在拱桥的拱脚、跨中和8/8 位置布设应变测点，合计18 个测点，测点位置及应变片布设见图1、图2。

图1 钢波纹板拱桥内壁静态应变测点位置

图 2 拱圈静态应变测点位置及应变片布设

1.3 钢波纹板拱桥应变测试工况

现场试验时，填土前对钢波纹板拱桥内壁应变片进行布置。由于现场施工情况较为复杂，因此，只针对拱顶填土这一种工况进行测试和分析，从拱顶+0.2 m 至路基顶，拱顶以上共填土1.5 m。每填土一层，待机械压实后并远离拱桥10 m 以外，用静态应变测试仪进行测试，并记录下数据。

表1 测试工况

2 钢波纹板拱桥应变测试结果分析

2.1 切向应变测试结果分析

2.1.1 波峰随填土高度增加的切向应变

由图3 分析得出：（1）从整体曲线变化来看，波峰切向位置处均为压应变，且应变数值变化较大；初始拱顶填土0.2 m，拱脚、跨中和8/8 跨位置处应变值相对集中，随着填土高度的增加，跨中位置的应变开始逐渐增加；当填土0.4 m 时，此时跨中位置处的压应变出现最大值，而拱脚和8/8 跨位置的压应变比较接近。（2）当拱顶填土至0.6 m，此时拱脚、跨中和8/8 跨位置处应变值变化较小，此时的跨中位置应变开始逐渐减小；当填土继续增加0.8 m 时，跨中位置的应变继续减小并小于拱脚和8/8 跨位置的应变值。（3）填土高度至拱顶1 m 时，跨中位置处压应变减小并出现最小值，拱脚和8/8 跨位置的压应变开始缓慢增加；最后填土至拱顶1.5 m，此时跨中位置压应变又开始出现为增加的趋势，而拱脚和8/8 跨位置基本趋于稳定。

图3 波峰切向应变随填土高度增加变化规律

2.1.2 波谷随填土高度增加的切向应变

由图4 分析得出：（1）波谷切向应变值随填土高度的增加，总体表现为拉应变，且各个位置的应变值出现逐渐增加的趋势，不同位置应变整体大小关系为跨中＞拱脚＞8/8 跨。（2）当拱顶填土从0.2 m 增加至0.6 m 时，拱脚位置的拉应变出现缓慢增长，而跨中位置应变增加幅度为先大后小；8/8 跨位置处，小幅度的缓慢增加；填土至0.6 m 时，8/8 跨位置处突然增大，这可能是8/8 跨位置填土初期不够密实，后机械压实密实引起的；之后各位置增长趋于平稳。（3）填土高度至拱顶1.2 m，此时8/8 跨位置的拉应变值增长并超过拱脚处的应变值；填土至拱顶1.5 m时，跨中的应变值增大，而拱脚处的应变值小幅度增加且大于8/8 跨位置处的应变值。

图4 波谷切向应变随填土高度增加变化规律

2.1.3 波侧随填土高度增加的切向应变

由图5 分析得出：（1）波侧位置处的总体应变为压应变，其中最大压应变出现在拱脚位置处，最小压应变出现在跨中位置处。整体压应变的随着填土高度的增加而增大。（2）当拱顶填土0.2 ～0.6 m时，8/8 跨处的压应变出现了先增加后减小的现象，而拱脚和跨中位置处的压应变缓慢增加。（3）随着填土高度的增加至拱顶填土1 m 时，8/8 跨位置的压应变继续减小并小于跨中位置的压应变，随后又开始迅速增加，当拱顶填土1.5 m 时，此时应变最小值出现在8/8 跨处，而最大值仍出现在拱脚处。

图5 波侧切向应变随填土高度增加变化规律

2.1.4 波峰、波谷和波侧随填土高度增加切向应变对比分析

通过图3 ～图5 对比分析得出：（1）不同填土高度下，波峰和波测均为压应变，而波谷为拉应变。（2）填土初期波峰、波谷和波测不同位置存在力的重新分布的情况，但填土至后期大小关系基本确定，钢波纹板拱桥整体受力趋于稳定。（3）通过对比分析，波峰、波谷最大应变出现在跨中位置，而波测最大应变出现在拱脚位置。最大压应变为461 με，最大拉应变为287 με，整体上小于钢材的允许应变，钢波纹板拱桥安全稳定。

2.2 轴向应变测试结果分析

2.2.1 波峰随填土高度增加的轴向应变

由图6 分析得出：（1）波峰的轴向应变的变化既有压应变，又有拉应变。总体来看，拱脚位置全部为拉应变，而跨中位置和8/8 跨位置为压应变。（2）随着拱顶填土从0.2 m 增加至0.6 m，拱脚位置处的拉应变逐渐减小，跨中位置处的压应变值也在减小，相反8/8 跨位置的压应变值逐渐增大。（3）填土高度至0.8 m 时，拱脚位置的拉应变值又开始缓慢减小，而跨中和8/8 跨位置处的压应变值近似相等；当拱顶填土在1.0 m 时，跨中位置的压应变值减小并小于8/8 跨位置的压应变；填土1.5 m 时，拱脚位置处的拉应变值缓慢减小趋于稳定，而8/8 跨处的压应变值缓慢增加趋于稳定。（4）整体上波峰轴向应变以压应力为主，拉应力辅，且在拱脚与跨中之间位置存在拉应力向压应力转化的过程。

图6 波峰轴向随填土高度增加变化规律

2.2.2 波谷随填土高度增加的轴向应变

由图7 分析得出：（1）整体来看，拱脚和跨中位置整个填土过程均表现为压应变，而8/8 跨位置处，随着填土高度增加应变值由拉应变逐渐减小并转变为压应变。（2）初始填土0.2 m 时，最大压应变出现在跨中位置，此时最大拉应变则出现在8/8 跨位置；随着填土高度的增加，跨中位置的压应变逐渐减小；而拱脚位置处，压应变增加，后趋于稳定。（3）填土至拱顶0.6 m，此时跨中位置的应变值减小且小于拱脚位置处的压应变，8/8 跨处应变值逐渐减小；填土至1.2 m 时，8/8 跨位置处由拉应变转变为压应变，接近于0；而拱脚位置处的压应变出现缓慢增加的趋势。

图7 波谷轴向随填土高度增加变化规律

2.2.3 波峰和波谷随填土高度增加的轴向应变对比分析

由图6、图7 对比分析得出：（1）波峰和波谷轴向应变相似规律：随着填土高度的增加，跨中位置均为压应变，且数值较大。不同规律：波峰拱脚为拉应变，波谷为压应变；8/8 跨位置波峰为压应变，而波谷拉压应变交替变化。（2）波峰和波谷不同位置主要受压应力，部分受拉应力。（3）由于波测的轴向应变片施工过程中损坏，因此无测试数据。

3 结语

（1）波峰拱脚和8/8 跨位置的应变变化相对平稳，而跨中位置的压应变变化趋势较为明显，为随填土高度的增加而减小。波谷切向应变随着填土高度增加而缓慢增大，而轴向应变整体的变化较为明显，且跨中应变变化较大。（2）波峰、波谷的轴向应变均小于同一位置的切向应变，轴向受力为切向受力的有力补充，有利于钢波纹板结构的整体安全稳定。（3）钢波纹板拱桥建成的动物通道，可减少砂石开采对环境的破坏，有利于环保。施工过程中，应减小拱周填土的层厚，从而提高压实度，使得拱周围土的侧向支撑作用增强，更好地产生环压效应，有效地减小钢波纹板拱桥竖直方向的变形，从而使整个钢波纹板结构更加安全、稳定和可靠。