鋼波紋板-混凝土組合截面拱涵的監(jiān)測(cè)與分析

王晉斌

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

在我國(guó)公路建設(shè)中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的中小跨徑拱橋（涵），因其造價(jià)較低、且耐久性好，而被廣泛應(yīng)用。但使用過(guò)程中，也出現(xiàn)了一些病害，特別在軟基、高填方等路段，由于沉降、變形等增大的原因，結(jié)構(gòu)易發(fā)生開(kāi)裂，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；此外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于養(yǎng)生齡期、溫度及周?chē)h(huán)境等的影響，施工也常受到限制。

鋼波紋板-混凝土組合結(jié)構(gòu)拱涵利用混凝土抗壓和波紋鋼板抗剪、變形適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，使兩種材料聯(lián)合成一體，共同作用，提升了拱圈整體剛度，增加了結(jié)構(gòu)抗彎能力，同時(shí)發(fā)揮混凝土保護(hù)層的作用，解決鋼波紋板橋涵的防滲、防腐等問(wèn)題，進(jìn)而增大其適應(yīng)范圍，達(dá)到其設(shè)計(jì)使用年限的要求。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)開(kāi)口型式的鋼波紋板拱橋涵的研究仍較少，而對(duì)鋼波紋板橋涵混凝土組合的研究還是空白。

某高速公路設(shè)有1孔4×3.5 m鋼波紋板-混凝土組合截面拱涵，涵長(zhǎng)為80.086 m，波紋板采用半徑R=2 m、中心角180°的圓弧拱，波紋板結(jié)構(gòu)采用波形為380 mm（波距）×140 mm（波高），鋼板壁厚為6 mm，管頂覆土高度為15.93 m。波紋鋼板采用Q235加工而成，表面為熱浸鍍鋅。為保證波形鋼板和混凝土結(jié)構(gòu)間的有效連接，在波形鋼板上設(shè)置鋼筋剪力鍵，并在板上澆注25 cm厚的C30混凝土板而形成整體聯(lián)合截面。通過(guò)對(duì)此拱涵在不同截面形式的橋涵性能指標(biāo)，包括抗彎性能、抗剪性能、變形等進(jìn)行采集，采集后的數(shù)據(jù)與有限元理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而科學(xué)確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，保證結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，為其設(shè)計(jì)和施工提供理論指導(dǎo)。對(duì)鋼波紋鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)拱橋涵在我國(guó)的推廣應(yīng)用起到積極作用。

2 監(jiān)測(cè)目的、項(xiàng)目與技術(shù)參數(shù)

2.1 監(jiān)測(cè)目的

a）了解鋼波紋鋼板混凝土組合截面結(jié)構(gòu)的受力、變形特點(diǎn)。

b）優(yōu)化鋼波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)。

c）結(jié)合實(shí)際鋼波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵工程，對(duì)施工過(guò)程中及施工完成后的內(nèi)力、變形、土壓力分布及沖擊性能等進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與有限元理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，合理確定波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，為同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供有益的參考。

2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2.2.1 監(jiān)測(cè)工況及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

全涵共設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，分別設(shè)在1/2邊坡、路肩、1/4路基、路中心處，共分為7組工況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，工況如下：a）波紋板拼裝后；b）板頂混凝土澆注完成后；c）板頂混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后；d）涵頂填土達(dá)到1/3時(shí)；e）涵頂填土達(dá)到2/3時(shí)；f）板頂填土達(dá)到設(shè)計(jì)高程時(shí)；g）活荷載作用時(shí)（運(yùn)營(yíng)期3個(gè)月內(nèi)監(jiān)測(cè)1次）。

2.2.2 在各個(gè)工況中，主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容

2.2.2.1 主拱圈的變位

測(cè)點(diǎn)布置：對(duì)于主拱圈拱腳、6/8L、拱頂處變位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)預(yù)埋設(shè)置短鋼筋，用紅油漆標(biāo)注編號(hào)。其中每個(gè)斷面監(jiān)測(cè)時(shí)均采用一個(gè)波峰、一個(gè)波谷進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.2.2 鋼波紋板應(yīng)變觀測(cè)和混凝土應(yīng)變觀測(cè)

a）監(jiān)測(cè)方法 混凝土應(yīng)變采用優(yōu)質(zhì)振弦式應(yīng)變計(jì)（型號(hào)：長(zhǎng)沙金瑪JMZX系列）測(cè)試，鋼波紋板應(yīng)變采用優(yōu)質(zhì)表面式應(yīng)變傳感器測(cè)試，所有的監(jiān)測(cè)元件都具有可靠的標(biāo)定數(shù)據(jù)。

b）測(cè)點(diǎn)布置 拱涵應(yīng)力監(jiān)測(cè)1～3斷面選拱腳、拱頂為關(guān)鍵截面。斷面4選拱腳、L/4、拱頂?shù)葹殛P(guān)鍵截面。截面上重點(diǎn)監(jiān)測(cè)鋼波紋板及混凝土上下截面位置處應(yīng)變。其中1～3斷面每個(gè)截面采用1個(gè)波峰和1個(gè)波谷監(jiān)測(cè)，斷面4每個(gè)截面采用2個(gè)波峰、2個(gè)波谷監(jiān)測(cè)和2個(gè)波側(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.2.2.3 拱背土壓力監(jiān)測(cè)

壓力盒在涵洞拱背位置布設(shè)，壓力盒與拱背混凝土板之間約有6 cm厚土層，每個(gè)壓力盒布置沿管切線方向放置。

2.2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本文只對(duì)路面鋪設(shè)完成后數(shù)據(jù)進(jìn)行描述分析。

a）混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果 由于部分測(cè)點(diǎn)已被破壞，沒(méi)有讀數(shù)，破壞測(cè)點(diǎn)處測(cè)量值采用上一次的監(jiān)測(cè)結(jié)果，相對(duì)上次測(cè)量，變化不大。路面層完成后，第4斷面處拱頂部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約10.5 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為1.0 MPa。第4斷面處拱腰部位的混凝土表面受力較小，表面最大壓應(yīng)力約1.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為9.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約23.3 MPa。第4斷面處拱腳部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約7.8 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.2 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為9.3 MPa。

b）鋼波紋板應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果 路面層完成后，較上次測(cè)量鋼波紋板的應(yīng)力稍減小。第4斷面處拱頂部位的鋼波紋板環(huán)向?yàn)槭軌籂顟B(tài)，表面最大壓應(yīng)力約35.9 MPa。第4斷面處拱腰部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約51.0 MPa，波峰處受拉，拉應(yīng)力約為4.8 MPa。第4斷面處拱腳部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約87.7 MPa。

c）拱頂沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果 路面完成后，沉降變形變化不大，最大沉降量也較小，約4 mm。

d）拱涵背后土壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果 背后土壓力測(cè)線被破壞較多，有一些被埋進(jìn)路基邊坡里，無(wú)法找到。根據(jù)已有的測(cè)點(diǎn)顯示土壓力變化不大，最大土壓力約0.4 MPa。

3 有限元仿真分析

3.1 仿真計(jì)算思路

a）為便于建立幾何模型和計(jì)算，將鋼波紋板等效成平面鋼板，采用平面應(yīng)變模型進(jìn)行模擬。

b）由波紋產(chǎn)生的加大剛度的作用，等效成鋼板剛度的增加或鋼板厚度的增加，混凝土襯砌的厚度取為鋼波紋板波峰波谷處的平均值，這樣就可以采用平面應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

3.2 波形鋼板的等效

鋼波形板與正交各向異性平板等價(jià)的條件是：板邊緣受到水平力時(shí)，鋼波形板產(chǎn)生的位移和變形與平板產(chǎn)生的位移和變形一致，其具有一樣的尺寸及厚度。

簡(jiǎn)化后的等效正交各向異性平板單元的彈性矩陣如下：

式中：Exx、Eyy分別為局部坐標(biāo)系x、y軸方向的等效彈性模量；μxy是因y向應(yīng)變而導(dǎo)致x向應(yīng)變的泊松比；μyx是與 μxy垂直的 y向的泊松比；GGff是等效剪切模量。這5個(gè)量中只有4個(gè)是獨(dú)立的，之前存在如下關(guān)系：

根據(jù)基本材料的彈性模量及波形鋼板的斷面幾何參數(shù)，利用等價(jià)條件可以得到：

式中：a、l分別為波形鋼板成型前及成型后的寬度；E0、μ0分別為板材的彈性模量及泊松比；I0、Ix分別為等效的正交各向異性板和波形鋼板的慣性矩；ζ為修正系數(shù)，取2～2.5。

3.3 有限元模型建立

3.3.1 幾何模型

建模過(guò)程中，土體和拱涵結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元。模型以底邊中點(diǎn)為原點(diǎn)，水平向右為x軸正方向，垂直向上為z軸正方向，y方向取單位厚度，整個(gè)模型在xyz方向大小分別為120 m、1 m、50 m，拱涵結(jié)構(gòu)尺寸按相應(yīng)的設(shè)計(jì)資料建立。模型共劃分網(wǎng)格單元1 766個(gè)，節(jié)點(diǎn)3 433個(gè)，建立模型如圖1所示，細(xì)部圖如圖2所示。做了簡(jiǎn)單的試算，填土完成后鋼波紋板混凝土組合截面拱頂處的豎向位移約為1.8 mm。

圖1 幾何模型圖（單位：m）

圖2 模型細(xì)部圖

3.3.2 物理模型及參數(shù)

土體采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型[1]，拱涵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，可認(rèn)為處于彈性階段，故采用彈性模型，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。位移邊界條件為：模型頂面自由，四周約束各邊界面的法向位移，底面完全約束。

表1 主要計(jì)算參數(shù)表

3.3.3 有限元計(jì)算結(jié)果

不同填土深度，各計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 不同填土深度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

a）根據(jù)監(jiān)測(cè)及計(jì)算結(jié)果，路面層完成后，隨著時(shí)間發(fā)展，變形增加較小，鋼波紋板混凝土組合截面的變形約3.6 mm。

b）根據(jù)監(jiān)測(cè)及計(jì)算結(jié)果，路面層完成后，第4斷面處拱頂部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約10.5 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為1.0 MPa。第4斷面處拱腰部位的混凝土表面受力較小，表面最大壓應(yīng)力約1.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為9.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約23.3 MPa。第4斷面處拱腳部位的混凝土均為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約7.8 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應(yīng)力約為6.2 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應(yīng)力約為9.3 MPa。

c）根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，路面層完成后，較上次測(cè)量鋼波紋板的應(yīng)力稍減小。第4斷面處拱頂部位的鋼波紋板環(huán)向?yàn)槭軌籂顟B(tài)，表面最大壓應(yīng)力約35.9 MPa。第4斷面處拱腰部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約51.0 MPa，波峰處受拉，拉應(yīng)力約為4.8 MPa。第4斷面處拱腳部位的鋼波紋板環(huán)向表面為受壓狀態(tài)，表面最大壓應(yīng)力約87.7 MPa。

d）在路面完成后，背后土壓力變化較小，第4斷面混凝土拱背后的土壓力約為0.4 MPa。

e）由于路基邊坡的修筑，測(cè)線被破壞較多，但從已有的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，各測(cè)點(diǎn)的值變化較小，鋼波紋板混凝土組合截面變形和應(yīng)力均較小，處于安全狀態(tài)。