帶加強(qiáng)圈的多跨鋼波紋板拱涵施工力學(xué)行為試驗(yàn)研究*

劉海洋,樊 正,陳 韜,張 迅

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司,上海 200032; 2.廣州市交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 511430; 3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031)

近些年,混凝土-鋼波紋板疊合梁(簡(jiǎn)稱“加強(qiáng)圈”)這一措施因其充分利用波紋鋼板抗剪、變形適應(yīng)性強(qiáng)和混凝土抗壓的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于鋼波紋板截面加強(qiáng)。通過混凝土的聯(lián)合作用,增加結(jié)構(gòu)的抗壓和抗彎剛度,保證結(jié)構(gòu)整體性,同時(shí)有效控制鋼板的屈曲破壞。我國(guó)雖已在多跨拱隧和帶加強(qiáng)圈的單跨鋼波紋板涵洞方面進(jìn)行了相關(guān)施工技術(shù)研究,但關(guān)于具有加強(qiáng)圈的大跨度多跨鋼波紋板拱涵的相關(guān)研究并未深入開展。為此,本文基于某4孔跨徑9m的鋼波紋板拱涵開展試驗(yàn)研究,實(shí)測(cè)回填過程中關(guān)鍵位置的受力和變形,探索此結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能。具體而言,本研究的目的為:①對(duì)比有無(wú)加強(qiáng)圈斷面的受力特征,明確加強(qiáng)圈對(duì)拱涵受力的積極影響;②對(duì)比邊跨和中跨在施工過程中的受力特征,明確多跨結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

1 工程概況及測(cè)試方案

1.1 工程簡(jiǎn)介

某帶加強(qiáng)圈多孔鋼波紋板拱涵為4跨結(jié)構(gòu),各跨間凈距為0.73m,單跨跨徑9m,每跨長(zhǎng)度為96m。采用的鋼波紋板波高140mm、波距381mm、厚度8mm。每隔12×381mm增設(shè)1道鋼混組合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30,厚度h為200mm,寬度w為656mm,橫向跨越2個(gè)半波。加強(qiáng)圈內(nèi)部使用φ16鋼筋和剪力連接件增強(qiáng)混凝土整體受力性能,構(gòu)造細(xì)節(jié)如圖1所示。

圖1 鋼波紋板拱涵構(gòu)造(單位:cm)

拱背采用泡沫混凝土填筑,每層1m,凝固后澆筑下一層。據(jù)此設(shè)置5個(gè)工況P1～P5,直至澆筑到拱腳以上5m。泡沫混凝土以外采用土體回填,工況T1為回填至與泡沫混凝土等高;工況T2～T5為大面積回填,每層1m,共4m。各施工工況如圖2所示,結(jié)構(gòu)材料與回填材料特性如表1所示。

表1 材料力學(xué)特性

圖2 施工工況示意(單位:cm)

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)試方案

對(duì)單側(cè)兩跨進(jìn)行監(jiān)測(cè),選取2類測(cè)試斷面,1個(gè)加強(qiáng)圈斷面Ⅰ和1個(gè)鋼波紋板斷面Ⅱ。每個(gè)測(cè)試斷面按0°,30°,60°,90°,120°,150°,180°間隔布置監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖3所示。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下:鋼波紋板拱涵內(nèi)壁環(huán)向應(yīng)力,加強(qiáng)圈內(nèi)鋼筋環(huán)向應(yīng)力,加強(qiáng)圈外壁泡沫混凝土拱周壓應(yīng)力,加強(qiáng)圈內(nèi)混凝土環(huán)向壓應(yīng)力,鋼波紋板位移。

圖3 各類測(cè)點(diǎn)布置

各關(guān)鍵部位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如表2所示。其中,項(xiàng)目b選擇加強(qiáng)圈內(nèi)中間位置鋼筋,項(xiàng)目a和b均選用BF120-3AA應(yīng)變片進(jìn)行監(jiān)測(cè),沿環(huán)向布置;項(xiàng)目c使用JM190土壓力計(jì),垂直于鋼波紋板板面布置;項(xiàng)目d預(yù)埋JM215應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)加強(qiáng)圈內(nèi)中間鋼筋周圍的混凝土應(yīng)變;項(xiàng)目e利用L型棱鏡定位、全站儀監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖4所示。

表2 關(guān)鍵部位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片

2 位移測(cè)試結(jié)果分析

拱背填筑工況P1～P5中,因監(jiān)測(cè)項(xiàng)目c和d的數(shù)值變化較小,此處不再贅述。位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目e中多跨拱涵拱腳0°和180°位置受到高強(qiáng)螺栓約束,未布置位移測(cè)點(diǎn),假定位移為0。位移負(fù)值和正值分別表示該位置朝向涵洞內(nèi)側(cè)和填土側(cè)變形。

2.1 拱背泡沫混凝土填筑

拱背填筑位移變化規(guī)律如圖5所示。隨拱背填筑泡沫混凝土的高度增加,拱周位移先減小后增加,拱頂90°位移變化程度最大,結(jié)構(gòu)位移整體上對(duì)稱。在工況P3中(填筑至約一半拱高時(shí)),拱周各位置位移最小。

圖5 拱背填筑位移變化規(guī)律

工況P5的拱周各位置位移最大,故分析其位移變化規(guī)律。加強(qiáng)圈斷面Ⅰ和鋼波紋板斷面Ⅱ的邊跨位移分別為1.55,1.57mm,中跨為1.61,1.66mm,后者比前者分別大0.06,0.09mm。相比于鋼波紋板斷面Ⅱ,加強(qiáng)圈存在使邊跨和中跨加強(qiáng)圈斷面Ⅰ位移在各工況下平均減小0.02,0.05mm。因此,拱背填筑中加強(qiáng)圈對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較小。

2.2 拱頂以上土體回填

拱頂以上土體回填時(shí),隨著填土高度增加,大角度側(cè)(90°～180°)位移逐步增大,小角度側(cè)(0°～90°)位移逐步減小?？傮w上,邊跨外側(cè)采取土體回填后結(jié)構(gòu)整體向小角度側(cè)發(fā)生位移,如圖6所示。在拱頂回填的各工況中,同一截面邊跨位移普遍大于中跨;鋼波紋板斷面Ⅱ位移均大于加強(qiáng)圈斷面;拱腰30°位移變化幅度>60°;120°位移變化幅度>150°;拱頂90°增長(zhǎng)幅度最大,且位移值最大。

圖6 拱頂回填位移變化規(guī)律

分析典型工況T5,加強(qiáng)圈斷面Ⅰ和鋼波紋板斷面Ⅱ最大位移分別為4.01,4.28mm,加強(qiáng)圈使得位移減小0.27mm。此外,邊跨與中跨位移最值之差為0.23mm。由此說(shuō)明:對(duì)于本工程多跨拱涵結(jié)構(gòu),有無(wú)加強(qiáng)圈斷面和不同拱跨間的變形差距較小,即結(jié)構(gòu)整體剛度較大,高填土下,結(jié)構(gòu)在小角度位置有外凸趨勢(shì)。線形控制指標(biāo)中規(guī)定:381mm×140mm波形構(gòu)造物最終變形不能超過拱頂撓度容許值為跨徑的2%,即7.62mm,測(cè)試結(jié)果滿足變形控制指標(biāo)。

3 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

3.1 拱背泡沫混凝土填筑

拱背泡沫混凝土填筑過程中鋼波紋板應(yīng)力變化規(guī)律如圖7所示。其中,“非峰”代表鋼波紋板斷面Ⅱ的波峰位置,“非谷”代表鋼波紋板斷面Ⅱ的波谷位置,“加峰”代表加強(qiáng)圈斷面Ⅰ的波峰位置,“加谷”代表加強(qiáng)圈斷面Ⅰ的波谷位置。

圖7 拱背填筑鋼波紋板應(yīng)力變化規(guī)律

由圖7可看出,在拱背泡沫混凝土荷載作用下,應(yīng)力關(guān)于拱頂90°位置呈對(duì)稱分布。隨著填筑高度增加,拱腳0°,180°應(yīng)力增長(zhǎng)幅度最大。波谷應(yīng)力普遍大于波峰應(yīng)力,邊跨應(yīng)力普遍大于中跨應(yīng)力,鋼波紋板斷面Ⅱ應(yīng)力普遍大于加強(qiáng)圈斷面Ⅰ應(yīng)力。

在工況P5中,拱周各位置應(yīng)力最大,鋼波紋板應(yīng)力最值出現(xiàn)在邊跨鋼波紋板斷面Ⅱ波谷位置,為10.08MPa,同跨加強(qiáng)圈斷面Ⅰ最大應(yīng)力為9.32MPa,出現(xiàn)在加谷,相比于鋼波紋板斷面Ⅱ應(yīng)力減小0.76MPa。邊跨與中跨應(yīng)力最值均出現(xiàn)在鋼波紋板斷面Ⅱ波谷,應(yīng)力差為0.9MPa。

拱背填筑過程中鋼筋應(yīng)力變化如圖8所示。在工況P1～P3中,鋼筋最大應(yīng)力均出現(xiàn)在拱頂90°位置;在工況P4～P5中,最大應(yīng)力出現(xiàn)在拱腰60°位置;中跨鋼筋應(yīng)力普遍大于邊跨。在工況P5中,拱周鋼筋應(yīng)力值最大,最大值為8.63MPa,位于中跨;中跨與邊跨鋼筋應(yīng)力最值差為0.24MPa,差距較小。

圖8 拱背填筑加強(qiáng)圈鋼筋應(yīng)力變化規(guī)律

綜合圖7和圖8可知,拱背填筑時(shí)混凝土加強(qiáng)圈能參與受力,但鋼波紋板和鋼筋應(yīng)力水平均非常低,說(shuō)明拱背填筑過程中加強(qiáng)圈的作用并不明顯。

3.2 拱頂以上土體回填

拱涵不同斷面各部位鋼波紋板波峰與波谷的應(yīng)力變化如圖9所示。隨著拱頂填土高度增加,各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)力逐步增大,每個(gè)工況的應(yīng)力最值均出現(xiàn)在拱腳0°或180°位置。邊跨外側(cè)采取土體回填,土體泊松比較大,填土擠壓拱涵,拱涵整體向拱側(cè)偏移,導(dǎo)致邊跨小角度側(cè)拱腳應(yīng)力明顯大于大角度側(cè)。對(duì)比而言,中跨應(yīng)力分布較均勻?qū)ΨQ,證明拱背泡沫混凝土可有效改善結(jié)構(gòu)受力。

圖9 拱頂回填鋼波紋板應(yīng)力變化規(guī)律

波谷與波峰應(yīng)力、邊跨與中跨、鋼波紋板斷面Ⅱ與加強(qiáng)圈斷面Ⅰ兩兩之間應(yīng)力大小對(duì)比與拱背填筑具有相似規(guī)律。此外,拱頂90°位置波谷應(yīng)力相比于同一斷面波峰位置明顯偏小。

分析最終工況T5,邊跨和中跨鋼波紋板應(yīng)力最值均出現(xiàn)在鋼波紋板斷面Ⅱ拱腳0°波峰位置,兩者差值最大為31.06MPa。加強(qiáng)圈增大了結(jié)構(gòu)的受力截面,使得鋼波紋板應(yīng)力在邊跨和中跨拱腳0°波峰分別減小27.66,6.41MPa,但在拱腳0°波谷位置應(yīng)力會(huì)增加5.19,0.01MPa。相比于傳統(tǒng)土體回填方式,拱背澆筑泡沫混凝土無(wú)須考慮施工機(jī)械作用、壓實(shí)度和最小回填高度的問題,大大提高了施工效率。

加強(qiáng)圈各部分的應(yīng)力變化規(guī)律如圖10所示。邊跨鋼筋環(huán)向應(yīng)力、邊跨混凝土環(huán)向應(yīng)力、邊跨加強(qiáng)圈表面壓應(yīng)力3項(xiàng)監(jiān)測(cè)值的變化具有相同規(guī)律,應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在拱腳0°位置,且小角度側(cè)應(yīng)力大于大角度側(cè)。中跨鋼筋環(huán)向應(yīng)力與混凝土環(huán)向應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致,大角度側(cè)應(yīng)力略大于小角度側(cè)。邊跨的應(yīng)力不對(duì)稱性較大,證明邊跨兩側(cè)不對(duì)稱回填導(dǎo)致的偏載影響較大。此外,鋼波紋板拱涵為柔性結(jié)構(gòu),而邊跨外側(cè)回填土體與拱背泡沫混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系存在差異,兩者與拱涵相互作用效應(yīng)不同,也導(dǎo)致邊跨兩側(cè)應(yīng)力值存在差異。

圖10 拱頂回填加強(qiáng)圈應(yīng)力變化規(guī)律

邊跨與中跨鋼筋應(yīng)力最值差為27.29MPa,邊跨混凝土環(huán)向應(yīng)力比中跨大1.93MPa。加強(qiáng)圈表面的泡沫混凝土壓應(yīng)力從0°到150°逐漸減小,最值出現(xiàn)在拱腳0°位置,為0.61MPa。小角度側(cè)的泡沫混凝土壓應(yīng)力普遍大于大角度側(cè),表明角度越小,回填材料導(dǎo)致的拱涵結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力越大,且填土越高增加幅度越大。

綜合圖9和圖10可知,拱頂回填時(shí)混凝土加強(qiáng)圈充分參與受力,特別是在拱腳0°波峰位置能顯著減小鋼波紋板應(yīng)力。但相比于鋼波紋板本身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,加強(qiáng)圈帶來(lái)的鋼波紋板應(yīng)力減小量并不可觀(約為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的10%)。多跨鋼波紋板拱涵易于出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大應(yīng)力出現(xiàn)在邊跨拱腳,建議作為重點(diǎn)控制截面。

跨徑或內(nèi)徑D=9m,波形回轉(zhuǎn)半徑r=76mm,根據(jù)規(guī)范,D/r=9 000/76=118.4≤294,管壁極限壓應(yīng)力fb=fy=355MPa,fy為鋼波紋板屈服強(qiáng)度,實(shí)際結(jié)構(gòu)中的安全系數(shù)為355/77.44=4.58,滿足安全系數(shù)≥2.0 的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)總體上,不同拱跨與有無(wú)加強(qiáng)圈對(duì)拱涵位移影響較小。在拱背填筑中,位移最值為1.66mm,出現(xiàn)在中跨鋼波紋板斷面Ⅱ;不同拱跨與有無(wú)加強(qiáng)圈對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)差值都<0.10mm。在拱頂回填中,位移最值為4.28mm,出現(xiàn)在邊跨鋼波紋板斷面Ⅱ;不同拱跨與有無(wú)加強(qiáng)圈對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)差值都<0.30mm。

2)在拱頂回填中,鋼波紋板應(yīng)力、邊跨鋼筋應(yīng)力、邊跨混凝土環(huán)向應(yīng)力、邊跨加強(qiáng)圈表面壓應(yīng)力最值均出現(xiàn)在拱腳0°位置,且拱周小角度側(cè)應(yīng)力大于大角度側(cè)。對(duì)于鋼波紋板,邊跨應(yīng)力最值比中跨大31.06MPa;加強(qiáng)圈使得邊跨拱腳0°波峰位置應(yīng)力減小27.66MPa,但加強(qiáng)圈會(huì)使邊跨拱腳0°波谷應(yīng)力增強(qiáng)5.19MPa。對(duì)于鋼筋,邊跨應(yīng)力比中跨大27.29MPa。對(duì)于加強(qiáng)圈內(nèi)混凝土,邊跨比中跨大1.93MPa。加強(qiáng)圈表面的泡沫混凝土壓應(yīng)力最值為0.61MPa。

3)總體上,拱背澆筑時(shí)加強(qiáng)圈的作用并不明顯,因?yàn)殇摬y板和鋼筋應(yīng)力水平均非常低。拱頂回填時(shí)混凝土加強(qiáng)圈充分參與受力,特別是在拱腳0°波峰位置能顯著減小鋼波紋板應(yīng)力,減小量約為其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的10%。拱腳截面局部應(yīng)力較大,建議作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。