高填土钢波纹板桥涵结构设计初探

李百建 钟星鸣 李 奎

（广东技术师范学院天河学院 建筑工程系 广东省 广州市 510000）

高填土钢波纹板桥涵结构设计初探

李百建 钟星鸣 李 奎

（广东技术师范学院天河学院 建筑工程系 广东省 广州市 510000）

分析了钢波纹板桥涵结构受力特点和工作机理，介绍了基于环压理论的钢波纹板结构设计理论及方法，结合实际工程项目设计，对高填土钢波纹板桥涵结构设计方法进行了探讨。

钢波纹板桥涵；环压理论；设计；构造

1.引言

钢波纹板桥涵作为一种典型的空间结构，具备钢结构所特有的良好的延性，抗拉、抗压、抗剪强度较高，构件结构断面小、自重轻，施工速度快，可提供大跨度结构等特点，与传统的钢筋混凝土涵洞和小跨径桥梁相比，钢波纹板桥涵具有强度高、耐久性好、受力性能好、抗变形能力强、美观、建成后无需养护等工程特点，而其所具有的良好的柔性和高强度，使得这种新型桥涵结构在防灾、救灾，应急、抢险等方面更是具有不可替代的作用[2]。本文结合实际工程项目设计，对高填土钢波纹板桥涵结构设计方法进行了探讨。

2.钢波纹板桥涵设计理论基础

波形钢板是将一定尺寸的结构用钢板压制成波纹形状的特定规格的结构用钢板。由于波纹的存在，增大了钢板的抗弯惯性矩，使之具有较高的承载能力和稳定性。将钢板拼接形成的结构物可通过土——钢的共同作用来承担荷载。

钢波纹板桥涵结构的设计主要包括荷载计算、波形钢板结构物验算、连接部强度验算、施工过程验算、最小填土高度验算、波形钢板基础验算等内容。

3.高填土钢波纹板桥涵结构分析与设计

本文结合实际工程项目，对高填土钢波纹板桥涵结构进行了设计分析。依托工程是河南省某快速通道北延二期工程，钢波纹板管涵的布置位置在桩号K25+140处，平行布置两个直径4m的涵管，净距为2.54m，涵顶最大覆土高度为20m，地基承载力高于0.22Mpa，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，荷载为公路一级。土体的容重为26KN/m3；土体的割线模量 Es=12MPa；最大覆土高度H=20m；波纹钢抗拉强度 Fy=230MPa；波纹钢极限抗拉强度 Fu=350MPa；波纹钢弹性模量 E=2.1×105MPa；波纹钢剪切模量G=0.81×105MPa；波纹管规格为波纹钢板件 CSPS D4000《公路涵洞通道用波纹钢管（板）》，其截面参数如下：波距l=150mm、波高d=50mm、壁厚t=6.5mm、波峰波谷半径r=28mm，拼接采用高强度螺栓规格为M20，波纹钢板截面面积A=8.04mm2/mm，惯性矩Ix=2339mm4/mm，旋转半径ix= 17mm、iy=87mm。

基础混凝土强度等级采用 C30，回填材料选择压缩性小、耐久性强的碎石、砂砾或其混合物，回填材料的最大粒径不应大于波谷半径的1/2。

本工程为钢波纹板圆管涵，跨径小于6m，一般采用AISI设计方法[4]。此方法采用环压理论，该理论是美国犹他州立大学KW.Reynold博士在美国钢铁协会(AISI)的赞助下通过大量现场实验总结出的。适用于跨径小于6m的波纹钢板圆管涵。

3.1 荷载计算

对于覆土高度大于管涵跨径的情况，需要对荷载进行折减。一般来讲，当土体作用在波纹钢板结构物（柔性结构）时，波形钢板可产生较大变形，使得结构物由圆形变成椭圆，挤压两侧土体。土体收到挤压形成被动土压力，约束结构的进一步变形。土体对结构的约束做用与填土压实度有关，随着填土压实度的增大，土体对结构的约束作用就越强；反之就越小。在结构计算中通过减少土压力的方法来考虑这种约束的有利作用。根据工程经验，一般填土压实度取为 85%，荷载折减系数为0.86，从而作用在结构物上部的总荷载为449.5KN/m2.

3.2 环向压力

环向压力理论[5]认为，在深埋的地下圆弧形结构中,结构周围土压力分布的不均匀性对管壁推力的大小和分布的影响很小，对于覆土波纹钢板桥涵,由于其固有韧性，垂直方向的总荷载(恒载+活载)使管壁发生变形，挤压两侧土体,回填土体受到挤压后形成被动土压力，随着变形增大，土体与管壁承担的荷载重新分布，调整的结果使管壁周围的土压力趋于均匀环压状态，从而提高了结构的承载能力。结构受力分析时认为环向压力是一致的，管壁应具有足够强度来承担这种径向压力。环向压力为899kg/cm

3.3 管壁容许应力

当跨度较大时(特别是跨度大于覆土厚度时)，结构常常在管壁达到屈服之前就已达到破坏。这时就不得不考虑结构的屈曲破坏了。实际上，考虑到埋置结构的几何非线性、土的材料非线性、结构中塑性铰的形成等因素，对于覆土波纹钢板桥涵的屈曲分析是比较困难的。多数规范通过类比中心受压柱的屈曲理论结合工程经验来导出设计公式。

本工程D/r=4000/17=235，取：

fb=fy=230Mpa

则管壁容许应力用fc表示为：

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

3.1 波形钢板强度校核

若使波纹钢板结构物满足正常使用功能，必须满足外荷载在结构中产生的内力小于结构抗力。

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

经上述验算，波纹钢板强度满足要求。

3.4 最小覆土高度验算

波形钢板结构物是柔性结构，其上部荷载是由结构物和土体的相互作用来共同承担。同时由于土的约束作用来提高结构的承载力，土在这一过程中发挥着至关重要的角色，然而结构的破坏可能最初是由于拱上覆土的剪切滑移破坏和拉裂破坏导致的，各国规范中，主要通过限制拱上覆土的最小埋深来避免此类破坏。设计最小覆土厚度的另一原因是由于各国现行规范普遍采用环向压力设计法，结构内力只计算轴力压力，忽略弯矩作用，限制最小覆土厚度就是确保荷载引起的弯矩被控制在对安全设计不影响的程度。本工程覆土高度已达到 20m，满足最小覆土高度要求。

3.5 柔度系数验算

考虑到波纹钢板制作和安装的方便，在无支撑时不至于产生较大变形，波纹钢板结构需要达到一定的刚度要求。柔度系数一般与波形的组合以及金属层厚度有关，采用柔度系数FF能够对各种波形和不同厚度组合的波纹管结构产生有效的控制。美国规范中覆土波纹管涵对于柔度系数的基本限制值是 0.114mm/N。这个值取决于结构跨度与波纹钢板的刚度(弹性模量与转动惯量)，并且只适应用152× 51波形。本工程采用150 ×50波形，可以参考借鉴。

根据上述分析及验算，本项目的钢波纹管柔度系数满足施工刚度要求。

4.结语

钢波纹板桥涵作为一种新型的结构形式，不仅可以全面取代传统的钢筋混凝土涵洞，而且由于其卓越的性能，在各种复杂、困难的环境下，金属波纹管涵也具有非常强的适应性。本文参照国外的相关设计方法，根据我国桥涵设计规范要求，依托实际工程项目，对高填方条件下的大跨径钢波纹板管洞结构物进行设计及验算，其思路及方法对钢波纹板桥涵结构物在我国的设计及应用可以提供借鉴。

[1]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）

[2]中华人民共和国交通运输行业标准.《公路涵洞通道用波纹钢管（板）》JT/T791-2010

[3]湖南金迪波纹管业有限公司.金属波纹管涵设计及施工指南，2010.12

[4]Corrugated Steel Pipe Institute.Modern Sewer Design(Canada Edition)[M].Canada Corrugated Steel Pipe Institute,1996.

[5]冯丽.考虑土——结相互作用的覆土波纹钢板圆管涵的力学性能分析[D].北京交通大学.2010.07.

U448.22

A

1007-6344（2016）10-0051-01