大跨覆土多孔波纹钢板拱涵回填过程加强措施研究

吴兴河

摘要 钢波纹板拱涵涵背回填一般采用同步、对称回填工艺，但对于回填范围广的大跨度钢波纹板拱涵存在施工效率低、成本高的问题，宜采用逐孔非对称回填工艺。文章依托益州大道4-Φ9m钢波纹板拱涵项目，针对其回填过程进行研究，就5种不同施工工况分别建立了采取加强措施与无加强措施的三维有限元模型，对比结构受力变形特性的差异，研究施工过程结构受力的变化以及加强圈对结构受力和变形的提高程度。

关键词 大跨多孔;加强措施;数值仿真;应力与变形

中图分类号 U449.83 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0160-03

0 前言

波纹钢板由普通钢板轧制而成，是具有一定波形和規格的正交各向异性板材。波纹钢板整体轧制或者使用高强螺栓相互连接形成钢波纹板拱涵[1]。钢波纹板结构依靠自身轻质高强、施工速度快、工程费用少等优点，逐步取代了传统钢筋混凝土拱涵在公路小桥涵中的地位，被广泛使用。通过与周围回填土和波纹钢板共同受力、共同变形的特点，共同承担荷载作用[2-3]。

美国和加拿大最早对此类结构进行过深入研究，编制了较为成熟的设计规范和施工方法[4]，如：AISI法、AASHTO法和CHBDC法等，并将其广泛应用于公路工程。国内对此类结构研究起步较晚，最初应用于青藏公路多年冻土地区中，依靠其变形适应能力较强的优点，满足了冻土地基引起的不均匀沉降，此后，钢波纹结构在国内被逐步推广[5-6]。目前，国内研究主要还集中在小跨径圆管涵，对于大跨径覆土波纹钢板拱涵的研究和经验比较匮乏。

波纹钢板拱涵的发展方向是适应大跨度和复杂地质情况要求[7-8]，为了有效提高结构的抗压和抗弯能力。对应的钢波纹板加强措施也被逐渐开发应用，如：泡沫混凝土回填、合理级配砂砾石回填、附加波纹板加劲肋、混凝土—钢波纹板叠合梁加强、减压板等。

混凝土—钢波纹板叠合梁加强结构是在波纹钢板上部增设锚固螺栓、横向短钢筋和纵向受力筋，并浇筑混凝土形成的组合结构。这种结构使波纹钢管道具有较大的刚度，而且可以全截面加固。其受力性能不同于单纯的波纹钢拱涵，设计计算也不能采用文章所述的设计方法，只能依赖于有限元分析，若配合回填轻质土，可大大提高结构的承载能力[9-11]。

该文针对混凝土—钢波纹板叠合梁加强系统，研究有无加强系统对结构受力和变形特性造成的差异，从应力和变形的计算结果分析施工过程中加强圈的加强效果，探讨了加强措施承担荷载的特点，对大跨径覆土波纹钢板拱涵的结构加强设计进行了分析，为重点检测位置提供了合理建议。

1 工程概况与有限元模型建立

1.1 工程背景

眉山市益州大道南延线工程柴桑河规划河道项目设置4孔钢波纹板拱涵，钢波纹板波形为381 mm×140 mm×

8 mm（波长×波高×壁厚）。桥涵截面形式选用半圆形，每孔跨径均为9.0 m，矢高4.5 m，管顶填土高8.5 m。管涵结构材料使用Q355钢材，混凝土采用C30。每间隔12个波纹布设一条混凝土—钢波纹板叠合梁加强系统，具体尺寸如图1所示。

1.2 模型建立

使用通用有限元分析软件ANSYS分别对施工过程中典型的5种工况建立有无混凝土—钢波纹板叠合梁加强系统两类共10个模型进行计算，分析有无加强系统对该多孔覆土大跨径波纹钢拱涵受力性能的加强效果。

钢材采用shell63单元，土体采用solid45单元。其中钢材的关键参数：弹性模量取2.06×105 MPa，密度取1.9×103 kg/m3，泊松比取0.3。混凝土的关键参数：弹性模量取30 MPa，密度取2.4×103 kg/m3，泊松比取0.2。土体的关键参数：弹性模量取35 MPa，密度取1.9×103 kg/m3，泊松比取0.25。

考虑土体—结构相互作用，侧边土体取1倍跨径，对整个结构施加重力荷载。模型为三维，沿拱轴向取36个波长，除顶面和填土行进方向端面自由约束外其他4个面采用铰接。施工到整体回填后，由于该模型结构和荷载都对称，为了节约计算资源，缩短计算时长，可以考虑对一半结构进行分析，建立两孔模型，使用对称约束进行简化。施工过程有限元模型如图2所示。

2 结构加强措施研究

2.1 计算结果

建立典型施工工况有限元模型：（1）工况1，一号拱单侧填土拱顶高0.5 m;（2）工况2，一号拱单侧填土拱顶高0.5 m，一、二号拱间填土2.5 m;（3）工况3，一号拱填土拱顶高0.5 m，二号拱单侧填土拱顶高0.5 m;（4）工况4，拱顶填土0.5 m，中部施加对称约束;（5）工况5，拱顶填土8.5 m，中部施加对称约束。

5种工况下有加强系统和无加强系统的结构最大等效应力及其响应位置，最大变形及其响应位置如表1所示。

结构的变形较小，均远未超过规范限值180 mm，对结构的安全不起控制作用。在无加强圈的情况下，结构的最大等效应力为178.576 MPa，如图3（a）所示，超过考虑安全系数为2.0后的最大等效应力177.5 MPa，不满足规范要求，需要设置加强结构。

混凝土—钢波纹板叠合梁加强系统在工况5的8.5 m填土荷载作用下，结构最大等效应力出现在加强结构的钢模板拱脚处，如图3（b）所示，并未发生在钢波纹板结构上。说明在填土荷载作用下钢模板也会承担一定的荷载，需要考虑钢模板的局部承载能力。

在回填第一孔即工况1、2时，最大等效应力均发生在拱脚偏上处。在回填第二孔即工况3、4、5时，最大等效应力出现在拱脚位置。施工过程中结构最不利位置均发生在波峰处。

工况1和工况2最大等效应力出现第一孔外侧拱脚，工况3最大等效应力出现在第二孔外侧拱脚，工况4最大等效应力出现在第二孔内侧拱脚，工况5最大等效应力发生了转移，出现在钢模板之上，

在拱涵非对称回填，填土较低时最大变形发生在拱腰处，当拱顶填土达到一定高度时，结构最大变形在发生拱顶。

2.2 对比分析

相对于无加强结构，加强结构的结构总体变形特征并未产生明显变化，在回填完成后，仍是管顶下挠，两侧管腰向外凸出，但变形和等效应力比未加强时大幅减小。

从计算结果可以得出，无论有无加强系统，对比工况2、工况3和工况4，如表2所示，随着拱间填土增加，结构的等效应力和变形最大值先增大后减小。说明在填土过程中土体之间会存在相互作用，形成土拱效应，有利于结构的受力。

3 结论

（1）跨径9 m厚度8 mm的多孔钢波纹板应用在覆土8.5 m的桥涵结构时，拱脚处产生了较大的应力，不能很好地满足设计使用需求，需要采取加强措施。变形对钢波纹板拱涵不起控制作用，在填土荷载作用下应力响应程度往往大于变形响应程度。按照该结构布置的混凝土—钢波纹板叠合梁加强系统，回填完成后，最大等效应力和最大变形均减小了约20%。

（2）施工过程中最大位移出现在拱腰，填土达到一定高度后，拱顶位移最大，最大等效应力出现在结构的拱脚或者拱脚偏上处，需要对这几个位置进行重点检测。

（3）填土成拱之后，土体之间存相互作用，形成土拱效应，有利于结构的受力与变形。

参考文献

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