装配式波纹钢拱形棚洞结构的研究初探

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1、装配式波纹钢拱形棚洞结构的研究初探李国锋1，许劲松1，李莉2，蒋鹤3，李文辉3（1、云南交投经营开发有限公司昆明市650032；2、四川省交通运输厅交通勘查设计研究院成都市610015；3、云南交投集团公路建设有限公司昆明市650032）摘要：以亚巴明洞为工程依托，从满足工程建设快速、经济、安全的实际要求出发，采用数值分析的研究手段，开展对装配式波纹钢拱形棚洞结构的研究初探。通过对结构在最不利工况荷载条件下变形与受力特征的计算分析，探明了结构的受力不利位置。根据《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)，验算了各不利位置的安全系数和裂缝宽度，说明了装配式波纹钢拱形棚洞结构在公路

2、工程建设中应用的技术可行性和安全可靠性。与传统钢筋混凝土矩形棚洞结构对比，论述了装配式波纹钢拱形棚洞结构的工程效应和推广价值。结合以往波纹钢在公路桥涵中的案例经验，从设计和施工的角度提出了几点应用建议，为类似工程建设提供一定参考。关键词：装配式波纹钢；拱形棚洞；数值分析；研究初探；应用建议1.序言纹钢现场组拼技术。1990年《日本高速公路设计规装配式波纹钢结构是将普通Q235或Q345钢板范》制定了波纹管设计技术规范[1]。目前，波纹管在工厂内经冷弯加工成波形板，再运输至施工现场在世界各地均得到了广泛应用。加拿大已建成了跨用高强度螺栓拼装连接成预定截面形状的一种新型径24m，矢高1

3、2m的波纹钢拱桥[2]。在国内，波纹钢结构。该结构具有以下显著优点：一是强度高，钢的应用最早可以追溯至1948年上海浦东地区军钢板成波后刚度可提高10-30倍；二是承载能力强，事便道的工程建设中。近年来，装配式波纹钢结构适应变形能力强；三是工厂标准化生产；四是自重由于优良的工程特性，已广泛应用于国内外桥涵、轻，运输安装方便；五是能减少混凝土圬工量，提隧道等工程项目的建设与加固中。波纹钢结构截面高施工效率，缩短工期；六是节约造价，3m以上跨也由最初适用于跨径较小的圆形、椭圆形等闭口形径桥涵经济性逐渐凸显；七是耐久性强，最高可达式，逐渐演变为适用于跨径较大的圆弧拱、箱型等到100年；八

4、是运营维护方便，节约养护费用。开口形式。国内诸多学者对装配式波纹钢结构在桥波形钢板的轧制始于1784年，直至1896年，涵工程中应用的受理模式与力学特性也开展了大量美国率先进行了波纹板通道、涵管的可行性研究，研究（表1），然而对于在公路棚洞中的应用研究并首次应用于涵洞。1931年，人们成功地开发了波基本处于空白。表1近年来国内学者针对波纹钢结构桥涵研究概况[3-12]序号年份学者研究手段应用领域研究侧重11996冯忠居现场试验与有限元分析大型沟埋式蛋形管道受力模式22002王永岗理论分析钢波纹管涵洞力学特性32006李祝龙现场试验钢波纹管涵洞力学性能42010周绪红模型试验波纹钢腹

5、板组合梁桥疲劳试验52012李欣欣数值模拟与理论分析波纹钢板桥涵设计方法与施工技术62013牟开数值模拟与模型试验波纹钢腹板连续钢构桥动力特性与抗震性能72014穆程理论分析大孔径钢波纹管涵设计方法82014余顺新理论分析波纹钢埋置式结构设计方法与施工技术92015张允海现场试验大直径高填方钢波纹管涵洞受力模式与变形特征102016刘鹏飞试验测试与数值模拟覆土波纹钢桥涵长期受力性能2.依托工程内，总长157米，建筑限界为9.0m×5.0m。明洞线亚巴明洞，位于云南省怒江美丽公路三合同段路沿怒江西岸陡坡展布，结构内侧靠山，外侧紧邻怒江，施工场地狭窄（图1）。内侧边坡自然坡角3.计算模

6、型为35°~40°，上覆中密碎石层，厚度较大，暴雨3.1结构典型断面设计时有小型泥石流发生。明洞工程原设计方案为钢筋装配式波纹钢拱形棚洞结构典型断面如图3所混凝土矩形框架式棚洞结构（图2），采用现浇工示。结构最大特征为采用半圆形波纹钢拼装板与钢艺。明洞为在原路基基础上的改扩建工程，受施工筋混凝土拱圈的组合形式，半圆拱矢高475cm，跨工艺和场地限制，施工周期长，造价不经济，保通径950cm，波纹钢板为Q345材质，波距×波高×压力大，安全风险高，很难满足现场施工要求。壁厚=380mm×140mm×7mm，钢筋混凝土拱圈厚度40cm。波纹钢板拼接螺栓长25cm，深入钢筋混凝土拱圈，并

7、与内部钢筋焊接，形成波纹钢板植筋混凝土，有效提高拱圈整体性与承载能力。下部两侧边墙均高2.65m，外侧边墙开3m×（1.2+1.15）m拱形窗孔，孔内设1.2m高不锈钢护栏，既能保障道路行车安全，又能保证洞内通风照明。为满足拱顶覆土厚度要求，保障土-结构体系相互作用，在外侧边墙上部设置钢筋混凝土挡墙，与混凝土拱圈连成整体，提高拱脚约束力和结构整体性。图1明洞拟建位置施工场地狭窄图3装配式波纹钢拱形棚洞结构典型断面3.2荷载组合及计算考虑结构后期运营过程中可能同时出现的