淺談波紋鋼板在橋涵中的應用

王益博

本文結合工程實例，分析了波紋鋼板結構制作工藝，主要包括結構材料、筋帶、連接件等，在此基礎上對波紋鋼板橋涵結構的三種截面形式進行比選，通過數值模擬分析對比，優化波紋鋼板截面選型，確保波紋鋼板橋涵施工的經濟效益和社會效益。

鋼波紋板;橋涵結構;截面形式比選

波紋鋼板結構作為彌補混凝土結構缺陷的替代品，目前已大量應用于我國公路工程當中。波紋鋼板是一種新型結構，將4.0 mm～8.0 mm厚度的板材通過波紋成型技術增加強度，再通過一系列的加工組裝最終成型。波紋鋼板結構是一種空間鋼結構，因其具有一定的抵抗變形能力，所以波紋鋼板橋涵擁有一定的適應地基與基礎變形能力，能有效避免因地基基礎不均勻沉降而導致橋涵結構的破壞。波紋鋼板因縱向波紋的存在，提高了鋼板的承載能力，縱向和徑向可同時承擔因外界荷載引起的變形，很大程度上避免了應力集中現象的出現。波紋鋼板作為一種現代的新型建筑材料，具有抗破壞性能強，強重比大，耐火性能好，耐腐蝕，安裝便利，無須養護和適應多種環境等優點。

波紋鋼板橋涵截面形式分為開口和閉口截面，本設計屬于小跨度橋涵，通常采用閉口截面形式。閉口形式的涵洞通常用于跨度較小情況，它們不需要混凝土基礎，造價相對比較低。很多國外的規范也建議盡量采用閉口截面，以自然形成的河床材料填充，作為車輛、行人以及野生動物的通道，以此保護生態環境。常見的閉口線形涵洞有圓形、水平橢圓、豎向橢圓和管拱等。本次設計選用6 m跨度覆土波紋鋼板橋涵結構，選擇三種閉口截面形式：圓、水平橢圓和管拱形式。三種截面均依托衡水益通金屬制品有限公司的實際波紋管的型號建立，使用鋼材種類Q235，波紋鋼板波形為200 mm×55 mm。圓形型號為YTHG-6-t，跨度為6 m;橢圓形型號為YTHG-（6.0×5.0）-t，跨度×矢高（m）6×5;管拱型號為YTMT-6.0-4.5，跨度*矢高（m）6×4.5。本工程公路為二級公路，設計荷載為公路——I級，橋跨6 m，路基高度8m。利用ANSYS有限元軟件，比選出圓形、水平橢圓形、管拱形管涵截面在填土高度為8m的條件下結構受力情況最佳的方案。

波紋鋼板（面板）結構采用壁厚5.5 mm的Q235碳素結構鋼或Q345低合金高強度結構鋼制作，長 6000 mm，寬1280 mm，波距 400 mm，波高或波深150 mm。防腐鍍鋅平均厚度≥84μm（ 或≥ 600 g/m ）。

采用 CAT30020B 型鋼塑復合筋帶，寬30 mm，厚2 mm，拉力6 KN，強度 100.0 MPa、伸長率< 1.0%。

（1）筋帶與波紋鋼板面板采用 M16 規格的高強度（8.8 s 或10.9 s）螺栓連接。螺栓與筋帶連接處為三角形構造，三角形底邊長（內）大于筋帶寬度 30mm。螺栓用高強度鋼墊片，其外形為與波紋鋼板波形一致具有凸凹形鋼墊片。

（2）基礎預埋鍍鋅冷彎不等邊槽，底寬 185 mm× 高邊180 mm× 低邊 50 mm× 厚度 5.0 mm。槽鋼底部采用 M20 螺栓預埋于混凝土中連接槽鋼，螺栓（孔）間距為每一波距 400mm。槽鋼高邊與波紋鋼板面板外側（波峰）連接，采用 M20 規格的高強度（8.8 s）兩排螺栓連接，橫向螺栓（孔）間距為 400 mm，豎向螺栓（孔）間距為 50 mm。

（3）“L”形波紋鋼板斜拉加強筋采用厚 6.0 mm，寬 50mm 的鍍鋅鋼條。

（4）波紋鋼板面板上封板采用 165 mm×155 mm×5 mm 角鋼，與波紋鋼板面板外側（波峰）連接采用上下兩排（層）M16 規格的普通螺栓連接，橫向螺栓（孔）間距為400 mm，豎向螺栓（孔）間距為50 mm。

（5）螺栓與鋼墊片均采用大于 50μm（≥ 350 g/m）的鍍鋅防腐層。槽鋼、鋼條、封板角鋼采用平均大于 84μm（ ≥ 600g/m ） 的鍍鋅層防腐鍍鋅。

利用ANSYS有限元軟件，將三維模型簡化為二維模型，采用環向抗彎剛度等效方法。首先要計算出波紋鋼板截面轉動慣量，然后按照抗彎剛度等效原則，即EI相等，將波紋板等效成轉動慣量I相同的普通平板進行分析。分別建立6m跨徑的圓形、水平橢圓形、管拱形的二維模型，通過對比分析不同線形覆土波紋鋼板橋涵結構受力特點，選出最佳方案。采用軟土地基，結構土體的左右邊界應采用可豎向滑移的水平支座，結構土體的下邊界應采用可豎向鉸支座。

波紋鋼板采用鍍鋅Q235A鋼，屈服強度為235MPa，容許應力為140MPa，彈性模量為2.06×105MPa。選用200mm×55mm的波形，厚度取5mm。根據內蒙古地方標準《公路波紋鋼管（板）橋涵設計與施工規范》，波紋鋼板截面特性如表1所示。

模型中波紋鋼板由beam3梁單元模擬，實常數選取5mm板厚、200×55 mm波形的等效截面特性：慣性矩I=2080.43mm4，面積A=5.43mm2，彈性模量E1=2.06×105MPa，密度7.8kN/m3，泊松比0.3;土體采用plane82二維平板單元，填土層為砂土，彈性模量E2=15MPa，泊松比取0.3，重度為20kN/m。

相同路基高度結構線型的比較。針對路基高度為8m的情況，分別建立三種線形結構模型，對比分析其受力變形特點，選出最適合的結構線形。路基高度即為管底至回填土頂部的距離，則路基填土高度為8m時，圓形覆土厚度為2m，水平橢圓覆土厚度為3m，管拱形覆土厚度為3.5m。現將三種線形的結構沿跨徑方向的軸力圖、彎矩圖、等效應力圖和變形圖列出，并在表2中比較分析。

由表2所示，圓形截面只受到軸向壓力作用，底部所受軸向壓力較大;管拱形截面也只受軸向壓力作用，且受力較均勻;橢圓形上部出現了較大的軸向拉力，下部受到壓力作用且數值較大。 在剪力比較中，橢圓形所受剪力最大，其次是圓形，管拱形所受剪力較小。在彎矩比較中，圓形截面所受彎矩最小，其次是橢圓形，管拱在拱腳處所受彎矩很大，出現了應力集中的情況。

由表2變形比較中可以看出，管拱形在管頂處出現最大位移;其次是橢圓形在管頂處的變形;圓形管頂處的變形最小。

總之，本文對覆土波紋鋼板橋涵的設計進行選型分析，利用ANSYS有限元軟件建立有限元模型比較了圓形、水平橢圓形、管拱形三種線形結構在相同路基高度下的軸力、彎矩、剪力和變形，圖1-圖9所示，得出以下結論：

（1）在路基高度相同的情況下，管拱形出現了受力集中的情況，這是由于圓形和橢圓形都是由一段圓弧線組成的，所以受力比較均勻，而管拱是由不同半徑的弧線組成的，而拱腳處曲率半徑較小，變化較多，所以在拱腳處所受彎矩較大。

（2）相同路基高度下，管拱變形最大，其次是橢圓形，最后是圓形，這與結構的線形及矢高有關，結構矢高越大，相同路基填土高度結構的拱頂覆土厚度越小，結構受力越小，變形也越小。

（3）經濟方面：管拱用鋼量最少，其次是橢圓形，最后是圓形，因此管拱最為經濟。

根據以上分析，管拱形截面拱腳處產生應力集中，覆土較大，且凈空較小，不宜采用。相比橢圓形，圓形矢跨比大，覆土高度較小，變形小，受力合理，因此圓形截面是較為合理的選擇。

波紋鋼板結構設計簡單、自重低、施工工期短、造價低、養護成本較低、有利于環境保護，并且該結構在軟土、濕陷性黃土、多年凍土、膨脹土等不良地質條件地區已經得到一定應用。由波紋鋼板在橋涵中的應用可知，管拱變形最大，其次是橢圓形，最后是圓形，另外在經濟方面，管拱用鋼量最少，其次是橢圓形，最后是圓形。因此，我們應該根據實際情況，選擇最為科學合理的波紋鋼板結構。

[1]李百建，符鋅砂，朱良生.基于車-橋耦合的鋼波紋板動力分析方法對比研究[J].公路工程，2019，44（6）：1-8+32.

[2]李俊儒，王李斌，王雪來，等.季凍區既有隧道保溫鋼波紋板套襯保溫效果分析[J].高速鐵路技術，2019，10（6）：45-48+81.

[3]雷進，胡濱，李祝龍，等.鋼波紋板小橋在安徽省高速公路中應用研究[J].山東交通科技，2014（1）：33.

[4]唐項亮.淺析公路鋼波紋板橋涵應用與發展[J].工程與建設，2014，28（5）：605-606+669.

[5]郭力源，李祝龍，梁養輝.荷載作用下鋼波紋板小橋土壓力分析[J].筑路機械與施工機械化，2013（11）：56-62.

This paper analyzes the manufacturing process of corrugated steel plate structure with engineering examples， mainly including structural materials， ribs， connectors， etc. On this basis， the three cross-sectional forms of corrugated steel bridge and culvert structures are compared and compared through numerical simulation analysis. Optimizing the selection of corrugated steel section to ensure the economic and social benefits of corrugated steel bridge and culvert construction.

steel corrugated plate; bridge and culvert structure; comparison and selection of three cross-sectional forms