基于竖向变位的公路覆土波纹钢桥涵评价

李敏会

摘 要：本文基于竖向变位对公路覆土波纹钢桥涵进行评价。结果表明：对于下部小直径的CSSCS，以“卸荷拱”是否出现作评价为关键点，当填土高度超过“土拱”高度时，以填土路基作为评价对象，采用弯沉值作为评价指标;填土高度不超过“土拱”高度，采用桥涵的评价体系，采用挠度作为评价指标。对于下部大直径的CSSCS，由于结构上部填土具有吸收冲击荷载和滤波作用，常规的动力参数并不适用，仍建议采用挠度作为长期安全性控制指标，建议就此结构提出新的挠度限值。

关键词：覆土波纹钢结构;挠度;竖向变位;评价体系

中图分类号：U441.2文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）10-0092-04

Evaluation of Corrugated Steel Bridges and Culverts on Highway Covering Soil Based on Vertical Displacement

LI Minhui

（Qiannan Prefecture Communications Construction Company，Qiannan Guizhou 558000）

Abstract： Based on the vertical displacement， the paper evaluated the corrugated steel bridge and culvert covered with soil. The results show that： for the lower small diameter csscs， the key point is whether the "unloading arch" appears or not. When the filling height exceeds the "soil arch" height， the filled subgrade is taken as the evaluation object， and the deflection value is taken as the evaluation index; The evaluation system of bridge and culvert is adopted， and the deflection is used as the evaluation index. For csscs with large diameter in the lower part， the conventional dynamic parameters are not applicable due to the impact load absorption and filtering effect of the upper fill. It is suggested that the deflection should be used as the long-term safety control index， and a new deflection limit should be proposed for this structure.

Keywords： CSSCS;vertical displacement;unloading arch;evaluation system

1 研究背景

近年來，公路工程新结构得到快速发展和应用。覆土波纹钢结构（Corrugated Steel Structural Covered with Soil，CSSCS）作为一种新的“钢-土组合结构”，主要以下部的波纹钢结构和做用于其上的回填土体共同作为承载体系，见图1和图2。波纹钢结构径向的波纹增加了截面刚度，纵向为多个波纹的扩展，具有一定的弹簧效应，能较好地适应地基变形，能在一定程度上解决因地基不均匀沉降引发的构造破坏问题，该结构先后在国内多地得到应用[1]。

随着CSSCS单跨跨径增大，其面临的结构安全和稳定性问题也逐渐凸显。现行的波纹钢结构相关标准、规范并没有对此做出明确要求[2-11]。因此，完善与覆土波纹钢结构体系对应的评价标准将愈发迫切。

2 研究现状

2.1 理论基础

CSSCS桥涵主要有闭口和开口两种构造形式，均基于“卸荷拱理论”和“环压理论”。冯忠居等指出，当作用于圆管形结构上部的填土达到一定高度时，在圆管顶部逐渐形成一个能够承担上部荷载的抛物线型“土拱”[12-13]。随着填土高度的增加，由于“土拱”的承载作用，作用于圆管顶部的荷载占比相对逐渐减小，起到“卸荷”作用。顾安全等认为，管型结构与其周边的土体之间存在相互摩擦作用[14-15]。填土不高时，在竖向荷载作用下，作用于圆管的法向和切向摩擦较为显著，圆管呈不均匀受力状态，变形为椭圆，并对两侧回填土体产生挤压作用。随着回填土体高度增加，管型结构受到两侧土体的反作用增大，切向摩擦作用降低，结构恢复成圆形，逐渐呈环向受压的状态。马德文等认为，“卸荷拱”形成后，“土拱”可承担约40%的上部荷载，波纹钢管型结构承担约60%的荷载，管体呈环向受压状态。同条件下，管径越小、管型结构的环刚度越大，“土拱”形成越早;反之，管径越大，“卸荷拱”越难以形成[16-17]。环向受压状态如图3所示，卸荷拱形成机理如图4所示。

2.2 波纹钢变形特点

采用合适的有限元软件，模拟分析工程技术问题，是工程领域普遍采用的技术方法。鉴于CSSCS具有较强的几何非线性和材料非线性，研究者通常采用有限元分析结合模型试验的方法展开研究[18-20]。

2.2.1 闭口圆形截面。乌延玲对波纹板材型号为124 mm×25 mm×3 mm的圆管形CSSCS展开研究。结果发现，固定填土高度，增加管径，CSSCS的竖向变形呈增长趋势。当管径增大到一定限值后，变形增长趋势更加明显。这说明管径增加到一定程度后，波纹钢管成为主要的承载构件，且管径越大，越不利于整体结构承载;反之，管径越小，整体刚度越大，利于“土拱”的形成，利于结构承载[21]。

2.2.2 开口异形截面。彭贤明采用的波纹板材型号为400 mm×140 mm×5.45 mm，开口异形截面，如图5所示，对单跨10 m的CSSCS小桥开展研究。结果显示，当填土高度为1.5 m时，CSSCS跨中顶部最大竖向位移为32.02 mm，对应位置的波纹钢竖向位移为24.89 mm;当覆土高度增加到5.5 m时，CSSCS跨中顶部最大竖向位移为81.04 mm，对应位置的波纹钢竖向位移为65.10 mm。此外，随着填土高度的增加，结构竖向位移呈现出近乎线性增长的趋势，对应位置填土的竖向变形也同步以线性趋势增长，最大值为15.94 mm，约占总竖向位移的20%[22]。由此可见，异形截面CSSCS的主要承载构件为波纹钢，以受弯变形为主，整体的竖向位移较大，其中土体变形占有较大比重。

2.2.3 开口半圆管截面。李雨株采用的波纹板材型号为400 mm×150 mm×7 mm，开口半圆管形截面，如图6所示，对单跨12 m的CSSCS小桥开展研究。结果显示，增加填土高度，结构变形持续增大。当填土高度增大到一定程度后，结构变形更加明显。结构试验显示，填土高度为0.8 m，汽车荷载后轴作用于中线位置时，结构竖向位移为28 mm，此时波纹板的最大应力为150 MPa[23]。

蒲广宁等采用波纹板材型号为400 mm×150 mm×7 mm，分别对开口半圆管截面和开口异形截面、跨径为8～20 m的CSSCS小桥进行分析。结果表明，开口半圆管截面具有更好的受力和变形状态;拱肩加强后的开口异形截面、单跨13 m跨径CSSCS的挠度依然达到约40 mm[24]。

对比上述研究者的成果可知，CSSCS具有竖向变形大、变形值离散大的特点。其竖向变形大，主要是因为结构整体偏向柔性，具有较大的变形能力。变形值离散大，主要有以下几个方面的原因：材料和结构具有较强的非线性，所采用的有限元模型差异性，所采用的结构截面线型差异性，所采用的板材型号差异性以及填土材料和填土高度差异等。

2.3 桥梁挠度控制

《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）显示，钢结构简支或连续板梁桥的挠度限制为L/500（L为桥梁单跨跨径）[25];美国桥梁结构挠度限值委员会给出的简支梁和连续梁的挠度限制为L/800，悬臂梁桥挠度限制为L/300[26]。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）提出，钢筋混凝土和预应力受弯构件长期挠度值不应超过计算跨径的L/600[27]。陈宝春等认为，挠度值的设定主要是为了控制桥梁振动，而一般拱桥的刚度较大，挠度实测值均小于挠度限值，且国际上也主要以动力参数代替挠度限值的规定，因此，规范中并未对拱桥挠度提出限制要求[26]。郭力源通过对低填方路基的动力学性能进行研究发现，车辆以40 km/h行进时，公路钢波纹板结构的拱顶最大动挠度为1.074 mm，约为结构跨径的L/400[28]。考虑到CSSCS变形大的特点，现行规范中关于挠度的条文并不能適用于该结构，仍需要对该结构的挠度控制值提出专项要求。

2.4 路基弯沉控制

路基刚度特性主要通过路基弯沉值体现。《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017）提出，土方路基实测弯沉值应满足相关设计要求[29]。王崇涛对西户公路各测点的弯沉值（0.01 mm）检测结果显示，弯沉值最大为100，最小为4[30];王理吉对新疆地区多条公路的路面弯沉统计显示，最大弯沉值为206，最小为24.7[31];林榕对佛山地区某高速路面弯沉检测表明，弯沉值最大为31.7，最小为3.3[32]。由此可见，弯沉值普遍较CSSCS挠度值小很多，两者耦合在一起时，可能被挠度值覆盖。CSSCS综合了桥梁与填土路基的两种构造形式和工艺，也导致了在检测控制指标上的复杂性。

3 研究现状分析

“卸荷拱理论”表明，在填土达到一定高度后，土体内部开始出现“土拱”，但有限元分析和试验均显示，填土高度较低时，多数开口型CSSCS结构并没有如圆形涵管一样出现更为有利的钢-土共同作用，“土拱”效应并不显著，波纹钢结构仍是主要的受弯承载构件。

对于小直径/跨径CSSCS，随着填土高度增加，CSSCS构件所受压力将逐渐呈现均匀化，此时波纹钢结构以环向受压为主。对于大直径/跨径CSSCS，波纹钢板自身的刚度难以支撑上部填土至“土拱”形成，其变形和挠度仍是结构安全性的首要控制点。

在进行路基路面检测时，采用小直径/跨径CSSCS的路段，填土路基增加了CSSCS整体的刚度，有利于承载和控制变形。对于大直径/跨径CSSCS的路段，通常因填土达不到特定的高度，CSSCS仍以竖向受弯变形为主，出现挠度值“吃掉”弯沉值的现象。

4 结论与建议

对于下部小直径的CSSCS，以“卸荷拱”是否出现作评价为关键点，当填土高度超过“土拱”高度时，以填土路基作为评价对象，采用弯沉值作为评价指标;填土高度不超过“土拱”高度，采用桥涵的评价体系，采用挠度作为评价指标。

对于下部大直径的CSSCS，由于结构上部填土具有吸收冲击荷载和滤波作用，常规的动力参数并不适用，仍建议采用挠度作为长期安全性控制指标，建议就此结构提出新的挠度限值。

板材型号越大，结构刚度越大，利于承载和控制变形，建议对多种板材型号的CSSCS开展研究，就各种型号的板材提出适用范围。

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