高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

李百建 鐘星鳴 李 奎

（廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院 建筑工程系 廣東省 廣州市 510000）

高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計初探

李百建 鐘星鳴 李 奎

（廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院 建筑工程系 廣東省 廣州市 510000）

分析了鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和工作機(jī)理，介紹了基于環(huán)壓理論的鋼波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及方法，結(jié)合實際工程項目設(shè)計，對高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行了探討。

鋼波紋板橋涵；環(huán)壓理論；設(shè)計；構(gòu)造

1.引言

鋼波紋板橋涵作為一種典型的空間結(jié)構(gòu)，具備鋼結(jié)構(gòu)所特有的良好的延性，抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度較高，構(gòu)件結(jié)構(gòu)斷面小、自重輕，施工速度快，可提供大跨度結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土涵洞和小跨徑橋梁相比，鋼波紋板橋涵具有強(qiáng)度高、耐久性好、受力性能好、抗變形能力強(qiáng)、美觀、建成后無需養(yǎng)護(hù)等工程特點(diǎn)，而其所具有的良好的柔性和高強(qiáng)度，使得這種新型橋涵結(jié)構(gòu)在防災(zāi)、救災(zāi)，應(yīng)急、搶險等方面更是具有不可替代的作用[2]。本文結(jié)合實際工程項目設(shè)計，對高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行了探討。

2.鋼波紋板橋涵設(shè)計理論基礎(chǔ)

波形鋼板是將一定尺寸的結(jié)構(gòu)用鋼板壓制成波紋形狀的特定規(guī)格的結(jié)構(gòu)用鋼板。由于波紋的存在，增大了鋼板的抗彎慣性矩，使之具有較高的承載能力和穩(wěn)定性。將鋼板拼接形成的結(jié)構(gòu)物可通過土——鋼的共同作用來承擔(dān)荷載。

鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要包括荷載計算、波形鋼板結(jié)構(gòu)物驗算、連接部強(qiáng)度驗算、施工過程驗算、最小填土高度驗算、波形鋼板基礎(chǔ)驗算等內(nèi)容。

3.高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

本文結(jié)合實際工程項目，對高填土鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計分析。依托工程是河南省某快速通道北延二期工程，鋼波紋板管涵的布置位置在樁號K25+140處，平行布置兩個直徑4m的涵管，凈距為2.54m，涵頂最大覆土高度為20m，地基承載力高于0.22Mpa，抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，荷載為公路一級。土體的容重為26KN/m3；土體的割線模量 Es=12MPa；最大覆土高度H=20m；波紋鋼抗拉強(qiáng)度 Fy=230MPa；波紋鋼極限抗拉強(qiáng)度 Fu=350MPa；波紋鋼彈性模量 E=2.1×105MPa；波紋鋼剪切模量G=0.81×105MPa；波紋管規(guī)格為波紋鋼板件 CSPS D4000《公路涵洞通道用波紋鋼管（板）》，其截面參數(shù)如下：波距l(xiāng)=150mm、波高d=50mm、壁厚t=6.5mm、波峰波谷半徑r=28mm，拼接采用高強(qiáng)度螺栓規(guī)格為M20，波紋鋼板截面面積A=8.04mm2/mm，慣性矩Ix=2339mm4/mm，旋轉(zhuǎn)半徑ix= 17mm、iy=87mm。

基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級采用 C30，回填材料選擇壓縮性小、耐久性強(qiáng)的碎石、砂礫或其混合物，回填材料的最大粒徑不應(yīng)大于波谷半徑的1/2。

本工程為鋼波紋板圓管涵，跨徑小于6m，一般采用AISI設(shè)計方法[4]。此方法采用環(huán)壓理論，該理論是美國猶他州立大學(xué)KW.Reynold博士在美國鋼鐵協(xié)會(AISI)的贊助下通過大量現(xiàn)場實驗總結(jié)出的。適用于跨徑小于6m的波紋鋼板圓管涵。

3.1 荷載計算

對于覆土高度大于管涵跨徑的情況，需要對荷載進(jìn)行折減。一般來講，當(dāng)土體作用在波紋鋼板結(jié)構(gòu)物（柔性結(jié)構(gòu)）時，波形鋼板可產(chǎn)生較大變形，使得結(jié)構(gòu)物由圓形變成橢圓，擠壓兩側(cè)土體。土體收到擠壓形成被動土壓力，約束結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步變形。土體對結(jié)構(gòu)的約束做用與填土壓實度有關(guān)，隨著填土壓實度的增大，土體對結(jié)構(gòu)的約束作用就越強(qiáng)；反之就越小。在結(jié)構(gòu)計算中通過減少土壓力的方法來考慮這種約束的有利作用。根據(jù)工程經(jīng)驗，一般填土壓實度取為 85%，荷載折減系數(shù)為0.86，從而作用在結(jié)構(gòu)物上部的總荷載為449.5KN/m2.

3.2 環(huán)向壓力

環(huán)向壓力理論[5]認(rèn)為，在深埋的地下圓弧形結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)周圍土壓力分布的不均勻性對管壁推力的大小和分布的影響很小，對于覆土波紋鋼板橋涵,由于其固有韌性，垂直方向的總荷載(恒載+活載)使管壁發(fā)生變形，擠壓兩側(cè)土體,回填土體受到擠壓后形成被動土壓力，隨著變形增大，土體與管壁承擔(dān)的荷載重新分布，調(diào)整的結(jié)果使管壁周圍的土壓力趨于均勻環(huán)壓狀態(tài)，從而提高了結(jié)構(gòu)的承載能力。結(jié)構(gòu)受力分析時認(rèn)為環(huán)向壓力是一致的，管壁應(yīng)具有足夠強(qiáng)度來承擔(dān)這種徑向壓力。環(huán)向壓力為899kg/cm

3.3 管壁容許應(yīng)力

當(dāng)跨度較大時(特別是跨度大于覆土厚度時)，結(jié)構(gòu)常常在管壁達(dá)到屈服之前就已達(dá)到破壞。這時就不得不考慮結(jié)構(gòu)的屈曲破壞了。實際上，考慮到埋置結(jié)構(gòu)的幾何非線性、土的材料非線性、結(jié)構(gòu)中塑性鉸的形成等因素，對于覆土波紋鋼板橋涵的屈曲分析是比較困難的。多數(shù)規(guī)范通過類比中心受壓柱的屈曲理論結(jié)合工程經(jīng)驗來導(dǎo)出設(shè)計公式。

本工程D/r=4000/17=235，?。?/p>

fb=fy=230Mpa

則管壁容許應(yīng)力用fc表示為：

fc=fb/2=115Mpa=1150kg/cm2

3.1 波形鋼板強(qiáng)度校核

若使波紋鋼板結(jié)構(gòu)物滿足正常使用功能，必須滿足外荷載在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力小于結(jié)構(gòu)抗力。

Pc=C/A=899/0.804=1118.2kg/cm2＜1150kg/cm2

經(jīng)上述驗算，波紋鋼板強(qiáng)度滿足要求。

3.4 最小覆土高度驗算

波形鋼板結(jié)構(gòu)物是柔性結(jié)構(gòu)，其上部荷載是由結(jié)構(gòu)物和土體的相互作用來共同承擔(dān)。同時由于土的約束作用來提高結(jié)構(gòu)的承載力，土在這一過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的角色，然而結(jié)構(gòu)的破壞可能最初是由于拱上覆土的剪切滑移破壞和拉裂破壞導(dǎo)致的，各國規(guī)范中，主要通過限制拱上覆土的最小埋深來避免此類破壞。設(shè)計最小覆土厚度的另一原因是由于各國現(xiàn)行規(guī)范普遍采用環(huán)向壓力設(shè)計法，結(jié)構(gòu)內(nèi)力只計算軸力壓力，忽略彎矩作用，限制最小覆土厚度就是確保荷載引起的彎矩被控制在對安全設(shè)計不影響的程度。本工程覆土高度已達(dá)到 20m，滿足最小覆土高度要求。

3.5 柔度系數(shù)驗算

考慮到波紋鋼板制作和安裝的方便，在無支撐時不至于產(chǎn)生較大變形，波紋鋼板結(jié)構(gòu)需要達(dá)到一定的剛度要求。柔度系數(shù)一般與波形的組合以及金屬層厚度有關(guān)，采用柔度系數(shù)FF能夠?qū)Ω鞣N波形和不同厚度組合的波紋管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有效的控制。美國規(guī)范中覆土波紋管涵對于柔度系數(shù)的基本限制值是 0.114mm/N。這個值取決于結(jié)構(gòu)跨度與波紋鋼板的剛度(彈性模量與轉(zhuǎn)動慣量)，并且只適應(yīng)用152× 51波形。本工程采用150 ×50波形，可以參考借鑒。

根據(jù)上述分析及驗算，本項目的鋼波紋管柔度系數(shù)滿足施工剛度要求。

4.結(jié)語

鋼波紋板橋涵作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，不僅可以全面取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土涵洞，而且由于其卓越的性能，在各種復(fù)雜、困難的環(huán)境下，金屬波紋管涵也具有非常強(qiáng)的適應(yīng)性。本文參照國外的相關(guān)設(shè)計方法，根據(jù)我國橋涵設(shè)計規(guī)范要求，依托實際工程項目，對高填方條件下的大跨徑鋼波紋板管洞結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計及驗算，其思路及方法對鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)物在我國的設(shè)計及應(yīng)用可以提供借鑒。

[1]《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）

[2]中華人民共和國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《公路涵洞通道用波紋鋼管（板）》JT/T791-2010

[3]湖南金迪波紋管業(yè)有限公司.金屬波紋管涵設(shè)計及施工指南，2010.12

[4]Corrugated Steel Pipe Institute.Modern Sewer Design(Canada Edition)[M].Canada Corrugated Steel Pipe Institute,1996.

[5]馮麗.考慮土——結(jié)相互作用的覆土波紋鋼板圓管涵的力學(xué)性能分析[D].北京交通大學(xué).2010.07.

U448.22

A

1007-6344（2016）10-0051-01