鋼波紋板-混凝土組合截面拱涵的監測與分析

王晉斌

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

1 概述

在我國公路建設中，鋼筋混凝土結構的中小跨徑拱橋（涵），因其造價較低、且耐久性好，而被廣泛應用。但使用過程中，也出現了一些病害，特別在軟基、高填方等路段，由于沉降、變形等增大的原因，結構易發生開裂，進而影響到結構的穩定；此外，鋼筋混凝土結構由于養生齡期、溫度及周圍環境等的影響，施工也常受到限制。

鋼波紋板-混凝土組合結構拱涵利用混凝土抗壓和波紋鋼板抗剪、變形適應性強的特點，使兩種材料聯合成一體，共同作用，提升了拱圈整體剛度，增加了結構抗彎能力，同時發揮混凝土保護層的作用，解決鋼波紋板橋涵的防滲、防腐等問題，進而增大其適應范圍，達到其設計使用年限的要求。目前，國內對開口型式的鋼波紋板拱橋涵的研究仍較少，而對鋼波紋板橋涵混凝土組合的研究還是空白。

某高速公路設有1孔4×3.5 m鋼波紋板-混凝土組合截面拱涵，涵長為80.086 m，波紋板采用半徑R=2 m、中心角180°的圓弧拱，波紋板結構采用波形為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構間的有效連接，在波形鋼板上設置鋼筋剪力鍵，并在板上澆注25 cm厚的C30混凝土板而形成整體聯合截面。通過對此拱涵在不同截面形式的橋涵性能指標，包括抗彎性能、抗剪性能、變形等進行采集，采集后的數據與有限元理論計算結果進行對比，從而科學確定結構設計參數，保證結構的合理性和安全性，為其設計和施工提供理論指導。對鋼波紋鋼板混凝土組合結構拱橋涵在我國的推廣應用起到積極作用。

2 監測目的、項目與技術參數

2.1 監測目的

a）了解鋼波紋鋼板混凝土組合截面結構的受力、變形特點。

b）優化鋼波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵的結構設計參數。

c）結合實際鋼波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵工程，對施工過程中及施工完成后的內力、變形、土壓力分布及沖擊性能等進行監控量測，檢測結果與有限元理論計算結果進行對比，合理確定波紋鋼板混凝土組合截面拱橋涵結構受力特點，為同類結構的設計與施工提供有益的參考。

2.2 監測項目

2.2.1 監測工況及測點布設

全涵共設4個監測斷面，分別設在1/2邊坡、路肩、1/4路基、路中心處，共分為7組工況進行監測，工況如下：a）波紋板拼裝后；b）板頂混凝土澆注完成后；c）板頂混凝土強度達到設計值后；d）涵頂填土達到1/3時；e）涵頂填土達到2/3時；f）板頂填土達到設計高程時；g）活荷載作用時（運營期3個月內監測1次）。

2.2.2 在各個工況中，主要監測內容

2.2.2.1 主拱圈的變位

測點布置：對于主拱圈拱腳、6/8L、拱頂處變位進行監測，測點預埋設置短鋼筋，用紅油漆標注編號。其中每個斷面監測時均采用一個波峰、一個波谷進行監測。

2.2.2.2 鋼波紋板應變觀測和混凝土應變觀測

a）監測方法 混凝土應變采用優質振弦式應變計（型號：長沙金瑪JMZX系列）測試，鋼波紋板應變采用優質表面式應變傳感器測試，所有的監測元件都具有可靠的標定數據。

b）測點布置 拱涵應力監測1～3斷面選拱腳、拱頂為關鍵截面。斷面4選拱腳、L/4、拱頂等為關鍵截面。截面上重點監測鋼波紋板及混凝土上下截面位置處應變。其中1～3斷面每個截面采用1個波峰和1個波谷監測，斷面4每個截面采用2個波峰、2個波谷監測和2個波側進行監測。

2.2.2.3 拱背土壓力監測

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

2.2.3 監測結果

本文只對路面鋪設完成后數據進行描述分析。

a）混凝土應變監測結果 由于部分測點已被破壞，沒有讀數，破壞測點處測量值采用上一次的監測結果，相對上次測量，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，表面最大壓應力約10.5 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應力約為6.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應力約為1.0 MPa。第4斷面處拱腰部位的混凝土表面受力較小，表面最大壓應力約1.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應力約為9.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應力約23.3 MPa。第4斷面處拱腳部位的混凝土均為受壓狀態，表面最大壓應力約7.8 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應力約為6.2 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應力約為9.3 MPa。

b）鋼波紋板應變監測結果 路面層完成后，較上次測量鋼波紋板的應力稍減小。第4斷面處拱頂部位的鋼波紋板環向為受壓狀態，表面最大壓應力約35.9 MPa。第4斷面處拱腰部位的鋼波紋板環向表面為受壓狀態，表面最大壓應力約51.0 MPa，波峰處受拉，拉應力約為4.8 MPa。第4斷面處拱腳部位的鋼波紋板環向表面為受壓狀態，表面最大壓應力約87.7 MPa。

c）拱頂沉降監測結果 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）拱涵背后土壓力監測結果 背后土壓力測線被破壞較多，有一些被埋進路基邊坡里，無法找到。根據已有的測點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 仿真計算思路

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

b）由波紋產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變進行計算。

3.2 波形鋼板的等效

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

簡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分別為局部坐標系x、y軸方向的等效彈性模量；μxy是因y向應變而導致x向應變的泊松比；μyx是與 μxy垂直的 y向的泊松比；GGff是等效剪切模量。這5個量中只有4個是獨立的，之前存在如下關系：

根據基本材料的彈性模量及波形鋼板的斷面幾何參數，利用等價條件可以得到：

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，取2～2.5。

3.3 有限元模型建立

3.3.1 幾何模型

建模過程中，土體和拱涵結構均采用實體單元。模型以底邊中點為原點，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，整個模型在xyz方向大小分別為120 m、1 m、50 m，拱涵結構尺寸按相應的設計資料建立。模型共劃分網格單元1 766個，節點3 433個，建立模型如圖1所示，細部圖如圖2所示。做了簡單的試算，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 模型細部圖

3.3.2 物理模型及參數

土體采用Mohr-Coulomb本構模型[1]，拱涵結構強度較高，可認為處于彈性階段，故采用彈性模型，計算參數見表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 主要計算參數表

3.3.3 有限元計算結果

不同填土深度，各計算結果如表2。

表2 不同填土深度計算結果

4 結論

a）根據監測及計算結果，路面層完成后，隨著時間發展，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）根據監測及計算結果，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，表面最大壓應力約10.5 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應力約為6.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應力約為1.0 MPa。第4斷面處拱腰部位的混凝土表面受力較小，表面最大壓應力約1.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應力約為9.6 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應力約23.3 MPa。第4斷面處拱腳部位的混凝土均為受壓狀態，表面最大壓應力約7.8 MPa，靠近鋼波紋板波峰處的壓應力約為6.2 MPa，靠近鋼波紋板波峰谷處的壓應力約為9.3 MPa。

c）根據監測結果，路面層完成后，較上次測量鋼波紋板的應力稍減小。第4斷面處拱頂部位的鋼波紋板環向為受壓狀態，表面最大壓應力約35.9 MPa。第4斷面處拱腰部位的鋼波紋板環向表面為受壓狀態，表面最大壓應力約51.0 MPa，波峰處受拉，拉應力約為4.8 MPa。第4斷面處拱腳部位的鋼波紋板環向表面為受壓狀態，表面最大壓應力約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，測線被破壞較多，但從已有的實測數據看，各測點的值變化較小，鋼波紋板混凝土組合截面變形和應力均較小，處于安全狀態。