帶加強圈的多跨鋼波紋板拱涵施工力學行為試驗研究*

劉海洋,樊 正,陳 韜,張 迅

(1.中交第三航務工程局有限公司,上海 200032; 2.廣州市交通設計研究院有限公司,廣東 廣州 511430; 3.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

近些年,混凝土-鋼波紋板疊合梁(簡稱“加強圈”)這一措施因其充分利用波紋鋼板抗剪、變形適應性強和混凝土抗壓的特點,被廣泛應用于鋼波紋板截面加強。通過混凝土的聯合作用,增加結構的抗壓和抗彎剛度,保證結構整體性,同時有效控制鋼板的屈曲破壞。我國雖已在多跨拱隧和帶加強圈的單跨鋼波紋板涵洞方面進行了相關施工技術研究,但關于具有加強圈的大跨度多跨鋼波紋板拱涵的相關研究并未深入開展。為此,本文基于某4孔跨徑9m的鋼波紋板拱涵開展試驗研究,實測回填過程中關鍵位置的受力和變形,探索此結構體系的力學性能。具體而言,本研究的目的為:①對比有無加強圈斷面的受力特征,明確加強圈對拱涵受力的積極影響;②對比邊跨和中跨在施工過程中的受力特征,明確多跨結構的力學行為。

1 工程概況及測試方案

1.1 工程簡介

某帶加強圈多孔鋼波紋板拱涵為4跨結構,各跨間凈距為0.73m,單跨跨徑9m,每跨長度為96m。采用的鋼波紋板波高140mm、波距381mm、厚度8mm。每隔12×381mm增設1道鋼混組合結構加強圈,混凝土強度等級為C30,厚度h為200mm,寬度w為656mm,橫向跨越2個半波。加強圈內部使用φ16鋼筋和剪力連接件增強混凝土整體受力性能,構造細節如圖1所示。

圖1 鋼波紋板拱涵構造(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。據此設置5個工況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,結構材料與回填材料特性如表1所示。

表1 材料力學特性

圖2 施工工況示意(單位:cm)

1.2 測點布置及測試方案

對單側兩跨進行監測,選取2類測試斷面,1個加強圈斷面Ⅰ和1個鋼波紋板斷面Ⅱ。每個測試斷面按0°,30°,60°,90°,120°,150°,180°間隔布置監測點,如圖3所示。監測項目如下:鋼波紋板拱涵內壁環向應力,加強圈內鋼筋環向應力,加強圈外壁泡沫混凝土拱周壓應力,加強圈內混凝土環向壓應力,鋼波紋板位移。

圖3 各類測點布置

各關鍵部位監測項目如表2所示。其中,項目b選擇加強圈內中間位置鋼筋,項目a和b均選用BF120-3AA應變片進行監測,沿環向布置;項目c使用JM190土壓力計,垂直于鋼波紋板板面布置;項目d預埋JM215應變計監測加強圈內中間鋼筋周圍的混凝土應變;項目e利用L型棱鏡定位、全站儀監測。現場試驗照片如圖4所示。

表2 關鍵部位監測項目

圖4 現場試驗照片

2 位移測試結果分析

拱背填筑工況P1～P5中,因監測項目c和d的數值變化較小,此處不再贅述。位移監測項目e中多跨拱涵拱腳0°和180°位置受到高強螺栓約束,未布置位移測點,假定位移為0。位移負值和正值分別表示該位置朝向涵洞內側和填土側變形。

2.1 拱背泡沫混凝土填筑

拱背填筑位移變化規律如圖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,結構位移整體上對稱。在工況P3中(填筑至約一半拱高時),拱周各位置位移最小。

圖5 拱背填筑位移變化規律

工況P5的拱周各位置位移最大,故分析其位移變化規律。加強圈斷面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,加強圈存在使邊跨和中跨加強圈斷面Ⅰ位移在各工況下平均減小0.02,0.05mm。因此,拱背填筑中加強圈對結構變形影響較小。

2.2 拱頂以上土體回填

拱頂以上土體回填時,隨著填土高度增加,大角度側(90°～180°)位移逐步增大,小角度側(0°～90°)位移逐步減小。總體上,邊跨外側采取土體回填后結構整體向小角度側發生位移,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°增長幅度最大,且位移值最大。

圖6 拱頂回填位移變化規律

分析典型工況T5,加強圈斷面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。由此說明:對于本工程多跨拱涵結構,有無加強圈斷面和不同拱跨間的變形差距較小,即結構整體剛度較大,高填土下,結構在小角度位置有外凸趨勢。線形控制指標中規定:381mm×140mm波形構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,測試結果滿足變形控制指標。

3 應力測試結果分析

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力變化規律如圖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”代表加強圈斷面Ⅰ的波峰位置,“加谷”代表加強圈斷面Ⅰ的波谷位置。

圖7 拱背填筑鋼波紋板應力變化規律

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

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

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

圖8 拱背填筑加強圈鋼筋應力變化規律

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

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力變化如圖9所示。隨著拱頂填土高度增加,各類監測項目應力逐步增大,每個工況的應力最值均出現在拱腳0°或180°位置。邊跨外側采取土體回填,土體泊松比較大,填土擠壓拱涵,拱涵整體向拱側偏移,導致邊跨小角度側拱腳應力明顯大于大角度側。對比而言,中跨應力分布較均勻對稱,證明拱背泡沫混凝土可有效改善結構受力。

圖9 拱頂回填鋼波紋板應力變化規律

波谷與波峰應力、邊跨與中跨、鋼波紋板斷面Ⅱ與加強圈斷面Ⅰ兩兩之間應力大小對比與拱背填筑具有相似規律。此外,拱頂90°位置波谷應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力最值均出現在鋼波紋板斷面Ⅱ拱腳0°波峰位置,兩者差值最大為31.06MPa。加強圈增大了結構的受力截面,使得鋼波紋板應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°波谷位置應力會增加5.19,0.01MPa。相比于傳統土體回填方式,拱背澆筑泡沫混凝土無須考慮施工機械作用、壓實度和最小回填高度的問題,大大提高了施工效率。

加強圈各部分的應力變化規律如圖10所示。邊跨鋼筋環向應力、邊跨混凝土環向應力、邊跨加強圈表面壓應力3項監測值的變化具有相同規律,應力最大值均出現在拱腳0°位置,且小角度側應力大于大角度側。中跨鋼筋環向應力與混凝土環向應力變化趨勢基本一致,大角度側應力略大于小角度側。邊跨的應力不對稱性較大,證明邊跨兩側不對稱回填導致的偏載影響較大。此外,鋼波紋板拱涵為柔性結構,而邊跨外側回填土體與拱背泡沫混凝土材料的本構關系存在差異,兩者與拱涵相互作用效應不同,也導致邊跨兩側應力值存在差異。

圖10 拱頂回填加強圈應力變化規律

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

綜合圖9和圖10可知,拱頂回填時混凝土加強圈充分參與受力,特別是在拱腳0°波峰位置能顯著減小鋼波紋板應力。但相比于鋼波紋板本身的設計強度,加強圈帶來的鋼波紋板應力減小量并不可觀(約為設計強度的10%)。多跨鋼波紋板拱涵易于出現應力集中現象,最大應力出現在邊跨拱腳,建議作為重點控制截面。

跨徑或內徑D=9m,波形回轉半徑r=76mm,根據規范,D/r=9 000/76=118.4≤294,管壁極限壓應力fb=fy=355MPa,fy為鋼波紋板屈服強度,實際結構中的安全系數為355/77.44=4.58,滿足安全系數≥2.0 的設計要求。

4 結語

1)總體上,不同拱跨與有無加強圈對拱涵位移影響較小。在拱背填筑中,位移最值為1.66mm,出現在中跨鋼波紋板斷面Ⅱ;不同拱跨與有無加強圈對應測點差值都<0.10mm。在拱頂回填中,位移最值為4.28mm,出現在邊跨鋼波紋板斷面Ⅱ;不同拱跨與有無加強圈對應測點差值都<0.30mm。

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

3)總體上,拱背澆筑時加強圈的作用并不明顯,因為鋼波紋板和鋼筋應力水平均非常低。拱頂回填時混凝土加強圈充分參與受力,特別是在拱腳0°波峰位置能顯著減小鋼波紋板應力,減小量約為其設計強度的10%。拱腳截面局部應力較大,建議作為重點監測區域。