跨徑13 m 鋼波紋板拱橋應變分析

張忠伍，潘小虎，王 磊，何 強，董佳奇，任成飛

（1.中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 110136；2．中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710075；3.西安中交土木科技有限公司，陜西 西安 710075；4.西安工業大學，陜西 西安 710021）

引言

隨著波紋鋼產品在國內外公路建設項目中近幾十年的應用，驗證了鋼波紋管（板）橋涵在各種情況下的通用性和安全性[1-3]。鋼波紋板（管）橋涵是采用波紋狀弧形板（管）通過連接、拼裝形成的一種橋涵形式。它采用薄殼鋼波紋板結構替代圬工砌體，減少了砂、石用量，同時軸向波紋的存在，能夠在橋涵橫向和軸向分散應力，從而更好的適應地基變形，解決了許多因地基變形導致的結構破壞問題[4]?？紤]到鋼波紋管受力性能好、節約資源、利于環境的優勢，該鋼波紋板橋梁（動物通道）的設計兼顧到材料、結構和功能的關系，在高寒地區采用柔性、高強度的鋼波紋板橋梁、通道代替傳統的鋼筋混凝土和圬工構造物，更具優勢，也更有發展前景[5-6]。

1 鋼波紋板拱橋現場試驗方案

1.1 鋼波紋板拱橋基本概況

依托工程為海滿一級高速公路樁號K1473+975跨徑13 m 的雙孔鋼波紋管拱橋，該動物通道在不影響已有道路車輛通行的情況下，為已運營一級公路上增設雙孔（單孔13 m）鋼波紋板結構，該動物通道上跨道路，采用大波形板片，且在板片上有加強結構，進行拼裝連接而成。

鋼波紋板材質采用Q355 熱軋鋼板制成，表面進行熱浸鍍鋅防腐處理防腐，具有良好的抗凍，耐寒性和較強的耐久性。密封材料應具有彈性、不透水，填塞應密實。鋼波紋板拱橋拱頂的填土高度為1.5 m。

1.2 鋼波紋板拱橋內壁應變測試方案

通過鋼波紋板拱橋內壁對施工過程中不同填土高度下拱腳、跨中、8/8 位置布設切向和軸向應變片，測試施工過程中不同填土高度下鋼波紋板拱橋的受力情況。應變測試點位布設：在路中位置下方的鋼波紋板拱橋內壁波峰、波谷、波側處取三個測試斷面，分別在拱橋的拱腳、跨中和8/8 位置布設應變測點，合計18 個測點，測點位置及應變片布設見圖1、圖2。

圖1 鋼波紋板拱橋內壁靜態應變測點位置

圖 2 拱圈靜態應變測點位置及應變片布設

1.3 鋼波紋板拱橋應變測試工況

現場試驗時，填土前對鋼波紋板拱橋內壁應變片進行布置。由于現場施工情況較為復雜，因此，只針對拱頂填土這一種工況進行測試和分析，從拱頂+0.2 m 至路基頂，拱頂以上共填土1.5 m。每填土一層，待機械壓實后并遠離拱橋10 m 以外，用靜態應變測試儀進行測試，并記錄下數據。

表1 測試工況

2 鋼波紋板拱橋應變測試結果分析

2.1 切向應變測試結果分析

2.1.1 波峰隨填土高度增加的切向應變

由圖3 分析得出：（1）從整體曲線變化來看，波峰切向位置處均為壓應變，且應變數值變化較大；初始拱頂填土0.2 m，拱腳、跨中和8/8 跨位置處應變值相對集中，隨著填土高度的增加，跨中位置的應變開始逐漸增加；當填土0.4 m 時，此時跨中位置處的壓應變出現最大值，而拱腳和8/8 跨位置的壓應變比較接近。（2）當拱頂填土至0.6 m，此時拱腳、跨中和8/8 跨位置處應變值變化較小，此時的跨中位置應變開始逐漸減??；當填土繼續增加0.8 m 時，跨中位置的應變繼續減小并小于拱腳和8/8 跨位置的應變值。（3）填土高度至拱頂1 m 時，跨中位置處壓應變減小并出現最小值，拱腳和8/8 跨位置的壓應變開始緩慢增加；最后填土至拱頂1.5 m，此時跨中位置壓應變又開始出現為增加的趨勢，而拱腳和8/8 跨位置基本趨于穩定。

圖3 波峰切向應變隨填土高度增加變化規律

2.1.2 波谷隨填土高度增加的切向應變

由圖4 分析得出：（1）波谷切向應變值隨填土高度的增加，總體表現為拉應變，且各個位置的應變值出現逐漸增加的趨勢，不同位置應變整體大小關系為跨中＞拱腳＞8/8 跨。（2）當拱頂填土從0.2 m 增加至0.6 m 時，拱腳位置的拉應變出現緩慢增長，而跨中位置應變增加幅度為先大后??；8/8 跨位置處，小幅度的緩慢增加；填土至0.6 m 時，8/8 跨位置處突然增大，這可能是8/8 跨位置填土初期不夠密實，后機械壓實密實引起的；之后各位置增長趨于平穩。（3）填土高度至拱頂1.2 m，此時8/8 跨位置的拉應變值增長并超過拱腳處的應變值；填土至拱頂1.5 m時，跨中的應變值增大，而拱腳處的應變值小幅度增加且大于8/8 跨位置處的應變值。

圖4 波谷切向應變隨填土高度增加變化規律

2.1.3 波側隨填土高度增加的切向應變

由圖5 分析得出：（1）波側位置處的總體應變為壓應變，其中最大壓應變出現在拱腳位置處，最小壓應變出現在跨中位置處。整體壓應變的隨著填土高度的增加而增大。（2）當拱頂填土0.2 ～0.6 m時，8/8 跨處的壓應變出現了先增加后減小的現象，而拱腳和跨中位置處的壓應變緩慢增加。（3）隨著填土高度的增加至拱頂填土1 m 時，8/8 跨位置的壓應變繼續減小并小于跨中位置的壓應變，隨后又開始迅速增加，當拱頂填土1.5 m 時，此時應變最小值出現在8/8 跨處，而最大值仍出現在拱腳處。

圖5 波側切向應變隨填土高度增加變化規律

2.1.4 波峰、波谷和波側隨填土高度增加切向應變對比分析

通過圖3 ～圖5 對比分析得出：（1）不同填土高度下，波峰和波測均為壓應變，而波谷為拉應變。（2）填土初期波峰、波谷和波測不同位置存在力的重新分布的情況，但填土至后期大小關系基本確定，鋼波紋板拱橋整體受力趨于穩定。（3）通過對比分析，波峰、波谷最大應變出現在跨中位置，而波測最大應變出現在拱腳位置。最大壓應變為461 με，最大拉應變為287 με，整體上小于鋼材的允許應變，鋼波紋板拱橋安全穩定。

2.2 軸向應變測試結果分析

2.2.1 波峰隨填土高度增加的軸向應變

由圖6 分析得出：（1）波峰的軸向應變的變化既有壓應變，又有拉應變?？傮w來看，拱腳位置全部為拉應變，而跨中位置和8/8 跨位置為壓應變。（2）隨著拱頂填土從0.2 m 增加至0.6 m，拱腳位置處的拉應變逐漸減小，跨中位置處的壓應變值也在減小，相反8/8 跨位置的壓應變值逐漸增大。（3）填土高度至0.8 m 時，拱腳位置的拉應變值又開始緩慢減小，而跨中和8/8 跨位置處的壓應變值近似相等；當拱頂填土在1.0 m 時，跨中位置的壓應變值減小并小于8/8 跨位置的壓應變；填土1.5 m 時，拱腳位置處的拉應變值緩慢減小趨于穩定，而8/8 跨處的壓應變值緩慢增加趨于穩定。（4）整體上波峰軸向應變以壓應力為主，拉應力輔，且在拱腳與跨中之間位置存在拉應力向壓應力轉化的過程。

圖6 波峰軸向隨填土高度增加變化規律

2.2.2 波谷隨填土高度增加的軸向應變

由圖7 分析得出：（1）整體來看，拱腳和跨中位置整個填土過程均表現為壓應變，而8/8 跨位置處，隨著填土高度增加應變值由拉應變逐漸減小并轉變為壓應變。（2）初始填土0.2 m 時，最大壓應變出現在跨中位置，此時最大拉應變則出現在8/8 跨位置；隨著填土高度的增加，跨中位置的壓應變逐漸減??；而拱腳位置處，壓應變增加，后趨于穩定。（3）填土至拱頂0.6 m，此時跨中位置的應變值減小且小于拱腳位置處的壓應變，8/8 跨處應變值逐漸減??；填土至1.2 m 時，8/8 跨位置處由拉應變轉變為壓應變，接近于0；而拱腳位置處的壓應變出現緩慢增加的趨勢。

圖7 波谷軸向隨填土高度增加變化規律

2.2.3 波峰和波谷隨填土高度增加的軸向應變對比分析

由圖6、圖7 對比分析得出：（1）波峰和波谷軸向應變相似規律：隨著填土高度的增加，跨中位置均為壓應變，且數值較大。不同規律：波峰拱腳為拉應變，波谷為壓應變；8/8 跨位置波峰為壓應變，而波谷拉壓應變交替變化。（2）波峰和波谷不同位置主要受壓應力，部分受拉應力。（3）由于波測的軸向應變片施工過程中損壞，因此無測試數據。

3 結語

（1）波峰拱腳和8/8 跨位置的應變變化相對平穩，而跨中位置的壓應變變化趨勢較為明顯，為隨填土高度的增加而減小。波谷切向應變隨著填土高度增加而緩慢增大，而軸向應變整體的變化較為明顯，且跨中應變變化較大。（2）波峰、波谷的軸向應變均小于同一位置的切向應變，軸向受力為切向受力的有力補充，有利于鋼波紋板結構的整體安全穩定。（3）鋼波紋板拱橋建成的動物通道，可減少砂石開采對環境的破壞，有利于環保。施工過程中，應減小拱周填土的層厚，從而提高壓實度，使得拱周圍土的側向支撐作用增強，更好地產生環壓效應，有效地減小鋼波紋板拱橋豎直方向的變形，從而使整個鋼波紋板結構更加安全、穩定和可靠。