高填土鋼波紋板橋涵結構設計初探

李百建 鐘星鳴 李 奎

（廣東技術師范學院天河學院 建筑工程系 廣東省 廣州市 510000）

高填土鋼波紋板橋涵結構設計初探

李百建 鐘星鳴 李 奎

（廣東技術師范學院天河學院 建筑工程系 廣東省 廣州市 510000）

分析了鋼波紋板橋涵結構受力特點和工作機理，介紹了基于環(huán)壓理論的鋼波紋板結構設計理論及方法，結合實際工程項目設計，對高填土鋼波紋板橋涵結構設計方法進行了探討。

鋼波紋板橋涵；環(huán)壓理論；設計；構造

1.引言

鋼波紋板橋涵作為一種典型的空間結構，具備鋼結構所特有的良好的延性，抗拉、抗壓、抗剪強度較高，構件結構斷面小、自重輕，施工速度快，可提供大跨度結構等特點，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度高、耐久性好、受力性能好、抗變形能力強、美觀、建成后無需養(yǎng)護等工程特點，而其所具有的良好的柔性和高強度，使得這種新型橋涵結構在防災、救災，應急、搶險等方面更是具有不可替代的作用[2]。本文結合實際工程項目設計，對高填土鋼波紋板橋涵結構設計方法進行了探討。

2.鋼波紋板橋涵設計理論基礎

波形鋼板是將一定尺寸的結構用鋼板壓制成波紋形狀的特定規(guī)格的結構用鋼板。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構物可通過土——鋼的共同作用來承擔荷載。

鋼波紋板橋涵結構的設計主要包括荷載計算、波形鋼板結構物驗算、連接部強度驗算、施工過程驗算、最小填土高度驗算、波形鋼板基礎驗算等內容。

3.高填土鋼波紋板橋涵結構分析與設計

本文結合實際工程項目，對高填土鋼波紋板橋涵結構進行了設計分析。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，抗震設防烈度為8度，設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；波紋鋼抗拉強度 Fy=230MPa；波紋鋼極限抗拉強度 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，旋轉半徑ix= 17mm、iy=87mm。

基礎混凝土強度等級采用 C30，回填材料選擇壓縮性小、耐久性強的碎石、砂礫或其混合物，回填材料的最大粒徑不應大于波谷半徑的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，需要對荷載進行折減。一般來講，當土體作用在波紋鋼板結構物（柔性結構）時，波形鋼板可產生較大變形，使得結構物由圓形變成橢圓，擠壓兩側土體。土體收到擠壓形成被動土壓力，約束結構的進一步變形。土體對結構的約束做用與填土壓實度有關，隨著填土壓實度的增大，土體對結構的約束作用就越強；反之就越小。在結構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，從而作用在結構物上部的總荷載為449.5KN/m2.

3.2 環(huán)向壓力

環(huán)向壓力理論[5]認為，在深埋的地下圓弧形結構中,結構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，土體與管壁承擔的荷載重新分布，調整的結果使管壁周圍的土壓力趨于均勻環(huán)壓狀態(tài)，從而提高了結構的承載能力。結構受力分析時認為環(huán)向壓力是一致的，管壁應具有足夠強度來承擔這種徑向壓力。環(huán)向壓力為899kg/cm

3.3 管壁容許應力

當跨度較大時(特別是跨度大于覆土厚度時)，結構常常在管壁達到屈服之前就已達到破壞。這時就不得不考慮結構的屈曲破壞了。實際上，考慮到埋置結構的幾何非線性、土的材料非線性、結構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合工程經驗來導出設計公式。

本工程D/r=4000/17=235，取：

fb=fy=230Mpa

則管壁容許應力用fc表示為：

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

3.1 波形鋼板強度校核

若使波紋鋼板結構物滿足正常使用功能，必須滿足外荷載在結構中產生的內力小于結構抗力。

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

經上述驗算，波紋鋼板強度滿足要求。

3.4 最小覆土高度驗算

波形鋼板結構物是柔性結構，其上部荷載是由結構物和土體的相互作用來共同承擔。同時由于土的約束作用來提高結構的承載力，土在這一過程中發(fā)揮著至關重要的角色，然而結構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)向壓力設計法，結構內力只計算軸力壓力，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計不影響的程度。本工程覆土高度已達到 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生較大變形，波紋鋼板結構需要達到一定的剛度要求。柔度系數(shù)一般與波形的組合以及金屬層厚度有關，采用柔度系數(shù)FF能夠對各種波形和不同厚度組合的波紋管結構產生有效的控制。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。這個值取決于結構跨度與波紋鋼板的剛度(彈性模量與轉動慣量)，并且只適應用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.結語

鋼波紋板橋涵作為一種新型的結構形式，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，在各種復雜、困難的環(huán)境下，金屬波紋管涵也具有非常強的適應性。本文參照國外的相關設計方法，根據(jù)我國橋涵設計規(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構物進行設計及驗算，其思路及方法對鋼波紋板橋涵結構物在我國的設計及應用可以提供借鑒。

[1]《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）

[2]中華人民共和國交通運輸行業(yè)標準.《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——結相互作用的覆土波紋鋼板圓管涵的力學性能分析[D].北京交通大學.2010.07.

U448.22

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1007-6344（2016）10-0051-01