公路波紋鋼板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變及外壁土壓力測(cè)試分析

潘小虎，何 強(qiáng) ，胡 濱

（1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710021；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075）

引言

波紋鋼板橋涵相比混凝土橋梁，具有節(jié)約建筑用料、造價(jià)低、節(jié)省工期、便于保通的優(yōu)勢(shì)[1-3]。通常用于替代臨時(shí)或永久性道路橋梁，使用鍍鋅鋼板可防止結(jié)構(gòu)中金屬結(jié)構(gòu)的銹蝕和腐蝕，降低維修時(shí)費(fèi)用，應(yīng)用前景較為廣闊[4-6]。我國(guó)一些科研機(jī)構(gòu)和高校對(duì)波紋鋼結(jié)構(gòu)涵洞研究的較多，但對(duì)于波紋鋼拱橋研究較少，尤其是對(duì)波紋鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征報(bào)道偏少[7-9]。

1 波紋鋼板拱橋現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

1.1 基本概況

依托工程為跨徑10 m的鋼波紋板拱橋，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的受力性能研究較少，屬于新型結(jié)構(gòu)。波紋鋼板拱橋?yàn)椴ㄐ武摪迤囱b而成的半圓拱結(jié)構(gòu)，采用Q355鋼材，相比混凝土具有施工簡(jiǎn)易快捷，不受天氣和氣溫影響的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試在施工過(guò)程中拱橋內(nèi)壁應(yīng)變和外壁土壓力的數(shù)值，將其應(yīng)變值和土壓力值進(jìn)行理論分析，最終得出相應(yīng)規(guī)律與結(jié)論。

1.2 波紋鋼板拱橋內(nèi)壁應(yīng)變測(cè)試方案

不同填土高度下，測(cè)試波紋鋼板拱橋不同位置的切向應(yīng)變，應(yīng)變片分別布置在拱橋內(nèi)壁的波峰、波谷和波側(cè)位置，位置見(jiàn)圖1。

圖1 拱橋內(nèi)壁應(yīng)變片位置布設(shè)

1.3 波紋鋼板拱橋土壓力測(cè)試方案

施工填土過(guò)程中對(duì)拱橋外壁土壓力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試不同拱頂填土高度時(shí)，拱橋拱周各位置的土壓力變化情況。土壓力盒和應(yīng)變片的布設(shè)點(diǎn)相同，具體測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

圖2 土壓力測(cè)試點(diǎn)位

1.4 波紋鋼板拱橋應(yīng)變與土壓力測(cè)試工況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分別對(duì)拱周填土測(cè)試其應(yīng)變，對(duì)拱頂填土測(cè)試其應(yīng)變和土壓力，見(jiàn)表1、表2。拱周填土共6 m，拱頂填土共1.5 m，每填土一層，待機(jī)械壓實(shí)結(jié)束后并遠(yuǎn)離鋼波紋板拱橋，然后再采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀與振弦頻率測(cè)試儀對(duì)應(yīng)變和土壓力進(jìn)行同步測(cè)試，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 拱周測(cè)試工況

表2 拱頂測(cè)試工況

2 波紋鋼板拱橋現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

2.1 拱周填土切向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果分析

2.1.1 波峰隨拱周填土增加的切向應(yīng)變

波峰切向應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 波峰切向應(yīng)變規(guī)律

從圖3可以看出：（1）隨著拱周填土高度的增加，整體拉、壓應(yīng)變趨勢(shì)逐漸增加，且拉、壓應(yīng)變曲線規(guī)律具有一定的對(duì)稱性。（2）拱周填土0.2 m時(shí)，應(yīng)變值變化較小，填土增加至1.9 m處，拉應(yīng)變出現(xiàn)應(yīng)力集中，而壓應(yīng)變出現(xiàn)小幅減小。當(dāng)拱周填土至3.1 m 時(shí)，拉、壓應(yīng)變值均出現(xiàn)了突變，并且迅速增加，增幅較大；填土至4.4 m，此時(shí)拉應(yīng)變和壓應(yīng)變均達(dá)到最大值，之后填土高度至6.0 m，拉應(yīng)變值出現(xiàn)小幅減小，而壓應(yīng)變逐漸趨于平穩(wěn)。（3）拱周填土過(guò)程中，拉應(yīng)變位于1/8拱、7/8拱、6/8拱、5/8拱和2/8拱位置，且最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱位置；而3/8拱、拱頂、拱腳和8/8拱均為壓應(yīng)變，最大壓應(yīng)變?cè)?/8拱位置。當(dāng)填土增加至1.9 m時(shí)，發(fā)生了應(yīng)力集中，施工中應(yīng)注意重點(diǎn)觀測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。

2.1.2 波谷隨拱周填土增加的切向應(yīng)變

波谷切向應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖4，分析得出：（1）相比波峰，波谷應(yīng)變值略小。拱周初始填土，拉壓應(yīng)變同時(shí)存在并呈交替變化趨勢(shì)。拱周填土1 m，拱腳、3/8拱、拱頂、8/8拱均為拉應(yīng)變，而壓應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱、2/8拱、5/8拱、6/8拱和7/8拱處；拱周填土 1.9 m，拉、壓應(yīng)變值均出現(xiàn)緩慢減小，當(dāng)填土至3.1 m， 拉、壓應(yīng)變均在此時(shí)發(fā)生突變，應(yīng)變值迅速增大，或許由于施工前期，機(jī)械壓實(shí)度不足，后壓實(shí)度增加引起；填土后期4.4～6.0 m，拉、壓應(yīng)變值出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)并逐步趨向穩(wěn)定。（2）填土至1.9 m，此時(shí)拉、壓應(yīng)變均出現(xiàn)應(yīng)力集中，而填土過(guò)程最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱位置，最大拉應(yīng)變?cè)?/8拱位置。

圖4 波谷切向應(yīng)變規(guī)律

2.1.3 波側(cè)隨拱周填土增加的切向應(yīng)變

波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5 波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律

從圖5分析得出：（1）波側(cè)隨拱周填土增加應(yīng)變逐漸增大，應(yīng)變變化趨勢(shì)相比波峰、波谷略小。整個(gè)填土過(guò)程中，拱頂為拉應(yīng)變，而拱腳和8/8拱為壓應(yīng)變。（2）初始填土0.2～1.9 m，拱頂位置應(yīng)變緩慢增加，而拱腳和8/8拱處壓應(yīng)變先緩慢增加后迅速增大；拱周填土1.9～4.4 m時(shí)，拱頂出現(xiàn)最大拉應(yīng)變，而拱腳和8/8拱處壓應(yīng)變呈小幅增長(zhǎng)規(guī)律；后期填土至6.0 m，拱腳、拱頂和8/8拱的拉、壓應(yīng)變值逐漸趨于平穩(wěn)。

2.1.4 波峰、波谷和波側(cè)隨拱周填土增加的切向應(yīng)變分析

通過(guò)圖3～圖5對(duì)比，分析得出：（1）波峰拱腳處壓應(yīng)變最大，且應(yīng)變值相比波谷與波側(cè)較大。波谷拉應(yīng)變和壓應(yīng)變的變化規(guī)律與波峰正好形成互補(bǔ)。拱周填土1.9 m時(shí)，波谷各個(gè)位置出現(xiàn)拉、壓應(yīng)變交替的現(xiàn)象，而波峰出現(xiàn)應(yīng)力集中。（2）拱周填土過(guò)程中，波峰應(yīng)變值出現(xiàn)了突變，拱頂位置出現(xiàn)拉壓應(yīng)變交替的現(xiàn)象，并隨填土高度增加逐漸趨向于穩(wěn)定。波側(cè)位置在整個(gè)填土過(guò)程，應(yīng)變值先增大后趨于平穩(wěn)，而拱腳和8/8拱位置為壓應(yīng)變，整趨勢(shì)小幅增加。（3）總體來(lái)看，拱周不同填土高度下，波峰、波谷最大應(yīng)變?cè)?/8拱處，而波側(cè)最大應(yīng)變出現(xiàn)在拱腳位置。最大壓應(yīng)變?yōu)?39με，最大拉應(yīng)變?yōu)?77με，整體上小于鋼材的允許應(yīng)變，波紋鋼板拱橋安全穩(wěn)定。

2.2 拱頂填土切向應(yīng)變分析

2.2.1 波峰隨拱頂填土增加的切向應(yīng)變

波峰切向應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖6。

圖6 波峰切向應(yīng)變規(guī)律

由圖6分析得出：（1）隨著拱頂填土高度增加，波峰應(yīng)變值緩慢增大，總體來(lái)看，拉、壓應(yīng)變的分布規(guī)律與拱周填土相似，拉應(yīng)變主要分布在1/8拱、5/8拱、2/8拱、6/8拱和7/8拱，而壓應(yīng)變則分布于3/8拱、拱頂、8/8拱和拱腳位置。（2）起初填土0.2 m， 總體拉應(yīng)變出現(xiàn)應(yīng)力集中，而壓應(yīng)變值較為分散，填土到0.4 m,此時(shí)拉應(yīng)變快速增加，壓應(yīng)變則緩慢增加，隨拱頂填土不斷增加，應(yīng)變值增長(zhǎng)率減小。（3）后期填土至1.5 m，此時(shí)拉應(yīng)變各位置大小關(guān)系：1/8拱＞5/8拱＞2/8拱＞6/8拱＞8/8拱；壓應(yīng)變各位置大小關(guān)系：拱腳＞7/8拱＞拱頂＞3/8拱。其中壓應(yīng)變最大值位于拱腳，而拉應(yīng)變最大值則位于1/8拱位置。

2.2.2 波谷隨拱頂填土增加的切向應(yīng)變

波谷切向應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖7。

圖7 波谷切向應(yīng)變規(guī)律

由圖7分析得出：（1）拱頂填土過(guò)程中，波谷應(yīng)變變化規(guī)律與波峰恰好相反，拉應(yīng)變位于3/8拱、拱頂、8/8拱和拱腳位置。而壓應(yīng)變出現(xiàn)在1/8拱、2/8拱、5/8拱、6/8拱和7/8拱位置。（2）隨拱頂填土高度的增加，拉壓應(yīng)變都在逐漸增大，填土0.2～0.6 m，壓應(yīng)變?cè)龇^大，而拉應(yīng)變緩慢增加；當(dāng)填土0.6～1 m時(shí)，拉壓應(yīng)變?cè)龇^小，直至填土1.5 m，拉壓應(yīng)變幾乎不再變化。（3）填土結(jié)束，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在2/8拱處，其余各位置大小關(guān)系：6/8拱＞1/8拱＞5/8拱＞7/8拱；最大拉應(yīng)變位于拱頂處，大小關(guān)系：拱頂＞拱腳＞8/8拱＞3/8拱。

2.2.3 波側(cè)隨拱頂填土增加的切向應(yīng)變

波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律見(jiàn)圖8。

圖8 波側(cè)切向應(yīng)變規(guī)律

由圖8分析得出：（1）波側(cè)隨填土高度增加整體都為壓應(yīng)變，且隨著填土高度的增加逐漸增大。（2）初期填土0.2～0.8 m，應(yīng)變值增長(zhǎng)較快，而當(dāng)填土1.2～1.5 m時(shí)，壓應(yīng)變值出現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)，之后隨填土高度的增加逐漸趨近于平穩(wěn)。（3）波側(cè)各測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變大小關(guān)系：拱腳＞8/8拱＞拱頂，且相比較于其它位置，增長(zhǎng)斜率較大。

2.3 土壓力測(cè)試結(jié)果分析

土壓力變化規(guī)律見(jiàn)圖9。

圖9 土壓力變化規(guī)律

由圖9分析得出：（1）整體土壓力變化規(guī)律為逐漸增加。初始填土拱頂0.2～0.4 m時(shí)，土壓力逐漸增加。當(dāng)填土拱頂0.6～0.8 m時(shí)，土壓力值開(kāi)始緩慢增加，拱周不同位置的土壓力大小關(guān)系：1/8拱＞6/8拱＞7/8拱＞5/8拱＞拱腳＞2/8拱＞3/8拱＞跨中＞8/8拱。（2）當(dāng)填土至拱頂0.8 m時(shí)，7/8拱和5/8拱土壓力產(chǎn)生了突變，可能是由于施工過(guò)程中，小型夯機(jī)對(duì)鋼波紋板拱橋產(chǎn)生擾動(dòng)。拱頂填土至1.5m，土壓力增幅較大。最大土壓力在1/8拱處，最小土壓力在8/8拱位置。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)跨徑10 m的波紋鋼板拱橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，測(cè)試并分析拱橋不同位置的應(yīng)變和土壓力，可得結(jié)論：（1）拱周填土過(guò)程中，波峰與波谷變化規(guī)律相似，都在1.9 m填土處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，并在拱周填土3.1 m 時(shí)發(fā)生突變，整體趨勢(shì)是緩慢增加→迅速增加→趨于平穩(wěn)。（2）拱頂填土過(guò)程中，波峰、波谷和波側(cè)應(yīng)變值均隨填土高度緩慢增加，波峰和波谷拉壓應(yīng)變相反，形成互補(bǔ)。（3）土壓力在拱頂填土過(guò)程中，變化趨勢(shì)為逐漸增大，初期增張較快，后期緩慢增加。（4）初始填土部分應(yīng)變數(shù)值有波動(dòng)情況，建議在施工過(guò)程中，適當(dāng)減小拱周填土的厚度，提高壓實(shí)度，有利于減緩鋼波紋板拱橋的水平受力與豎向變形，從而使整個(gè)拱橋結(jié)構(gòu)更加安全、可靠和穩(wěn)定。