波形钢板拱桥在广梧高速的实践与应用

波形钢板拱桥在广梧高速的实践与应用

目 录 1. 工程概况 2. 波形钢板拱桥研究开发背景 3. 广梧高速公路波形钢板拱桥方案比选 4. 广梧高速公路波形钢板拱桥设计 5. 广梧高速公路波形钢板拱桥施工情况 6. 广梧高速公路波形钢板拱桥静载试验情况 7. 波形钢板拱桥国外一些应用实例 Pyungsan SI @ Copyright, Apr. 2005 一、 工程概况 广梧高速公路波形钢板拱桥，位于第八合同段 K66+265.5 处，连接了县道与村庄，主要作为行人、机耕等通行通道。设计跨度 10 米。 二、波形钢板拱桥的研究开发背景 （韩国平山 SI 株式会社） 2 . 1 研究开发流程 通过试验施工验证稳定性 荷载特性分析 惯用式 , 电算解释比较 通过波形钢板材料试验验证基准值 抗压试验 抗弯试验 土造 模型试验 验证波形钢板设计技法 电算解释设计 惯用 式设计 解释技法开发 Install Corrugated Multi Plate Channel Channel Bearing Capacity Bearing Capacity 混凝土 地基 混凝土 地基 轴 力 抵抗土 压 抵抗土 压 移动负荷 / 土砂 负荷 2. 2 力学结构 图解 2. 3 截面形象 Round Hori. Ellipse Vertical Ellipse Pipe-Arch Underpass Pear Arch Low-Profile High-profile Pear arch Box-Bridge 公称厚度 (mm) Seam Strength (tonf/m) DesignSeam strength(tonf/m) Type A Type B Type C Type D 3.2 97.87 98.71 88.01 118.88 79.40 4.5 161.87 165.10 151.12 165.77 126.36 6.0 225.40 234.47 214.66 177.17 180.55 连接部抗压强度设计比抗压强度的约大 1.2 倍 连接部抗压破坏类型 : 钢板直压 破坏 验证 设计连接部 稳定性 2 . 4 波形钢板连接部抗压试验 2 . 5 波形钢板连接部抗弯试验 ▶ 试验目的及内容 - 分不同连接部螺栓排列，分析抗弯性能 - 波形钢板结构物连接部抗弯性能评价 - 抗弯破坏类型分析 ▶ 试验方法及分析 P P/2 P/2 d 1 d 2 q 1 d 1 d 2 q 1 加力部 底点部 波形钢板 ▶ 连接部弯度破坏类型.1 ▶ 连接部弯度破坏类型.2 龟裂发生 2 . 6 连接部弯度破坏类型 公称厚度 (mm) Seam Strength (tonf · m/m) TheoreticalPlastic moment(tonf · m/m) Type A Type B Type C Type D Type E 3.2 2.26 2.27 2.12 2.49 2.32 1.52 4.5 3.43 3.51 3.30 3.73 3.44 2.16 6.0 5.15 4.86 5.14 5.16 4.45 2.89 连接部抗弯强度比设计强度的约大 1.4 倍 验证连接部弯度破坏类型 验证 设计 稳定性 2 . 7 连接部抗弯试验结果 2 . 8 模型土造试验(震动台试验) ▶ 试验目的及内容 - 波形钢板结构物抗震性能评价 2 . 9 抗震性能评价 开挖斜度 1:1.2 开挖斜度 1:0.6 开挖斜度 1:0.0 分不同开挖斜度 评价波形钢板结构物的 抗震性能 2 . 10 解释应用软件开发及改善 通用软件改善 WinCande 波形钢板基本设计 为了使用者方便改善 专用软件开发 SOSTEEL 2 . 11 惯用软件运用 3 维 解释软件验证 Pentagon 3D 波形钢板结构物抗震性能评价 反映现场条件的精密解释 通过同解释反映抗震性能 AFIMEX 三、广梧高速公路波形钢板拱 桥方案比选 ▶ 100% 循环再利用 (钢铁 + 土) ▶ 天然资源 (土, 石) 使用 最少化 ▶ 环境破坏 最少化 “ 环 境 ” ▶ 安全， 事故 最小化 ▶ 施工人员 最少化 ▶ 施工期间 缩短 ▶ 经济的施工成本 ▶ 维护费用 少 ▶ 100年 以上 耐久性 “ 经济性 & 耐 久 性 ” “ 迅速 & 安全 ” 3 . 1 一般概况 (优 点) - 韩国工程基准 (2004年) : 钢筋混凝土结构物对比 缩短 35% 的工期 工 种 1个月 2个月 3个月 备注 打 基 础 R/C 0.5-M 波形钢板 0.5-M 基础工程 R/C 0.5-M 波形钢板 0.5-M 钢筋加工及 钢板组装 R/C 1.7-M 波形钢板 0.3-M 填土及加强 R/C 0.3-M 波形钢板 0.7-M 17% 25% 32% 50% 83% 75% 100% 100% - 结构物长度 : L = 50 m 3.2 工程進度表 33,400 元 20,500 元 工程费 ( 费用 / m) 截 面 R/C Box 规格 : 4.500m × 4.500m 涵洞 波形钢板 宽:6.500m , 高: 3.250m 概 要 钢筋混凝土 波形钢板 构造物 区 分 - 韩国工程费基准(2004年) : 钢筋混凝土 结构物相比最多可减少 35% 3 . 3 施工费比较 韩国 区 分 无筋混凝土结构物 波形钢板结构物 条 件 SPAN=5.500m, 填土高度 = 10.8m 截面形状 总工程费 材料费 721,484 元 安装费 109,950 元 结构物费 1,941,431 元 971,928 元 小计 1,941,431 元 1,803,368 元 相对比率 100% 92.8% 3 . 4 施工费比较 内蒙古 Pyungsan SI @ Copyright, Apr. 2005 波形钢板与空心板小桥比较表 主要项目内容 波形钢板 主要项目内容 空心板小桥 1 、大波形钢板 (m 2 ) 534 1 、上部结构 2 、附属材料 C40 砼 (m 3 ) 92.7 槽钢垫板 (m 2 ) 62.04 普通钢筋 (kg) 18112.5 锚钉（块） 304 2 、下部结构 3 、基础 （ 1 ）台身、台帽等 C15 砼 (m 3 ) 17.668 C30 砼 (m 3 ) 202.2 C30 砼 (m 3 ) 179.322 C25 砼 (m 3 ) 110 普通钢筋 (kg) 14139.171 普通钢筋 (kg) 31054.4 4 、护墙 （ 2 ） D120cm 桩基 C15 砼 (m 3 ) 9.12 C25 砼 (m 3 ) 250.9 C30 砼 (m 3 ) 133.540 普通钢筋 (kg) 22543.9 普通钢筋 (kg) 16324.835 （ 3 ）搭板 5 、面壁 C30 砼 (m 3 ) 88.3 C30 砼 (m 3 ) 29.331 普通钢筋 (kg) 13375.6 普通钢筋 (kg) 7396.643 6 、工程总造价 ( 万元 ) 155.57 3 、工程总造价 ( 万元 ) 121.17 四、广梧高速公路波形钢 板拱桥设计 4 ． 1 、主要技术标准 1 、桥梁设计荷载：公路－ I 级； 2 、桥梁宽度： 24.5m （整体式路基宽度）； 3 、设计洪水频率： 1/100 ； 4 、地震动峰值加速度值： 0.05g ； 5 、地方路净空要求： 3.5m 。 波形钢板原材料的要求条件 化学成分 机械特性 P （ % ） S （ % ） 镀锌附着量 屈服强度 抗拉强度 延伸率 g/m 2 MPa MPa t≤5 5≤t≤16 ≤ 0.050 ≤ 0.050 ≥ 900 ≥ 285 ≥ 490 ≥ 19 ≥ 15 4 ． 2 、广梧波形钢板材料要求 4.2.1 钢板 波形钢板原材料的要求条件 大波形规格表 厚度 t （ mm ） 波谷 P （ mm ） 波谷深度 d （ mm ） 弯曲半径 r （ mm ） 截面面积 A （ cm 2 /m ） 截面系数 S （ cm 3 /m ） 5.45 381 140 76 69.18 210.27 注： 1 、钢板厚度以镀锌之前为准； 2 、波谷 P 和波谷深度 d 的容许误差为 ±3mm 。 钢板的螺栓孔间的间距 轴线方向搭接长度 圆周方向搭接长度 l g1 g2 38mm 38mm 76mm 4.2.2 螺栓及其它 钢板的长度方向连接处的最小强度（直径 20mm 螺栓标准）应不 小于 1667.2kN/m ，连接处强度安全系数取 3.0 。 4 ． 3 设计要点 1 、本波形钢板通道桥的地基承载力要求不小于 255kPa 。 2 、本波形钢板通道桥采用混凝土基础，混凝土采用 C30 砼。 3 、波形钢板构造物的结构设计采用容许应力设计法，对于压缩破坏和屈曲破坏的安全系数取 3.0 （施工阶段）和 2.0 （运营阶段）。 4 、波形钢板设计时采用土 - 结构联合单元进行分析，并进行了施工阶段仿真分析。 5 、设计荷载： 1) 恒载：波形钢板上的填土和路面荷载 2 ）荷载：按公路 -I 级标准取值。 6 、钢板的长度方向连接处的最小强度（直径 20mm 螺栓标准）应不 小于 1667.2kN/m ，连接处强度安全系数取 3.0 。 7 、若把厚度互不相同的钢板按长度方向连接使用时，若薄钢板的厚度小于 3.1mm ，则连接处折叠在一起的两钢板的厚度差不能超过 1mm 。还有一侧的钢板厚度是 3.1 ～ 3.5mm 时，两钢板的厚度差不能超过 1.5mm 。 8 、回填材料 回填材料应选择压缩性小，耐久性强的碎石、沙砾、或其混合物等材料。回填材料的最大粒径不能超过钢板波谷深度 d 的 1/2 （即 70mm ）。回填断面应该是：钢板壁两侧大于 1/2 跨径的区域。 五、广梧高速公路波形 钢板拱桥施工 交 工 布设变形观测点 面墙施工 台背回填 同条件养护试件 钢板与螺栓防水处理 台身、台帽模板安装 搭设工作平台 拼装前三环钢板 分块吊装钢板 预埋件安装 整体吊装前三环钢板并锁紧螺栓 换 填 砂 测量放样 基础砼钢筋绑扎 基坑开挖 台身、台帽混凝土浇筑 地基承载力检测 精确测量预埋件位置 现场检查材料 螺栓扭力达到设计要求求 同条件养护试件 5.1 施工工艺流程 图 3-1 施 工 工 艺 流 程 图 5.1.1 地基处理及基础混凝土浇筑 （ 1 ）基底处理： 本波形钢板拱桥的地基承载力要求不小于 255Kpa ，基础开挖后检测地基承载力，采用沙砾平行换填、压实，压实度在 90% 以上。 （ 2 ）台身与上部构造 1 ）上部结构的钢板和桥台混凝土预埋的槽钢进行连接。槽钢通过 L 型锚钉螺栓焊接在墙身钢筋上，保证槽钢倾斜 5.65 度。 2 ）预埋的槽钢不得有弯曲。两个桥台的槽钢位置应保证平行对称，不能错位过大距离，不得大于 15mm ，否则会影响后续钢板安装工作。 5.1 地基处理及基础混凝土浇筑 5.1.2 工作平台 采用 φ48 钢管搭设支架平台，支架宽度 700cm ，延桥向长度 500cm ，高度根据实际的波形钢板安装后的实际位置确定，搭设成中间高两侧底的工作平台。 5.1.3 钢板安装 首先在地面上整体拼装 3 环，采用整体吊装的形式进行安装。 4 张以上的钢板不能折叠在同一处。拼装底板时，以中心轴线和中点为基准定位第一环波纹钢板，然后以此为起点向两侧延伸，直至两端。第二环板叠在第一环板上面，对中连接孔、人工装上螺栓、套上垫圈、旋上螺母，然后用套筒扳手预紧螺母。 5.1.4 防水处理及端墙施工 （ 1 ）钢板间夹缝防水是通过粘贴密封胶垫来实现的。 （ 2 ）施工中端墙基础与钢板拱部基础施工方式一致，保证承载力能满足要求。端墙墙身钢筋一次性绑扎，混凝土一次性浇筑。 5.2 台背回填及钢板变形观测分析 回填时不需要特殊的填土材料。一般土、碎石或砾、卵石与细砾土的混合料也都可以。在距波纹钢板拱璧 30cm 范围内的填土不得有大边尺寸超过 7cm 的石块、混泥土块、高塑性粘土块或其他有害物质。 波形钢板拱桥台后填土应在两侧保持保持对称且均匀的原则下分层压实，压实后每层厚度不得超过 20cm ，压实度不得小于 96 ％。在台后距波形钢板壁 0.6m 以内，在没有达到最小填土厚度前，禁止除压实设备以外的重装设备运行。压实钢板侧面时，压实设备于构造物长度方向平行行驶，在达到最小填土厚度前，不能采用震动压实。填土时，构造物两侧对称填筑，两侧的填土高度差小于一层填土厚度 。 5.3 防锈和除锈 一般波纹钢板、螺栓、螺母和钩栓等附件出厂时，已经渡锌或镀铝处理，其镀锌量达 900g/m2 。 5.4.1 材料 波形钢板拱桥需采用以下材料：波形钢板，槽钢垫板，锚钉， C15 砼， C30 砼，普通钢筋，无其它特需说明的材料。 5.4 材料与设备 机具设备一览表 序号 设备名称 规格、功率及容量 单位 数量 1 汽车吊 NK200BE ， 20T 台 2 2 电焊机 BX350 ， 30kw 、 23KVA 台 4 3 钢筋切断机 GQ40-1 ， 4kw 、 6mm-40mm 台 2 4 钢筋弯曲机 GWJ40-A ， 3kw40mm 台 2 5 钢筋调直机 GT4-8 ， 4kw 台 1 6 变压器 500KVA 台 1 7 发电机 康明斯， 200kw 台 2 8 强制式混凝土搅拌机（带自动计量系统） JDY500C 、 500L 台 2 9 水泥砼拌和设备 HZS75 、 750m3/h 座 2 10 砼罐车 6m3 台 5 5.4.2 设备 （ 1 ）波形钢板构造物在以下三种情况都要测量截面的形状大小变化： ①刚刚组装完毕之后；②填土压实的过程中；③刚刚施工完之后。 （ 2 ）截面变形的测量可采用落锤式线尺测定法（参见图 1 ）或激光测距仪测定法（参见图 2 ）。 落锤式线尺安装截面和测定状况 5.5.1 、波形钢板截面测量 激光测距仪法结构物截面测点的位置和测定形态 六、 静载试验 静力荷载试验采用等效荷载模拟的方法进行，即模拟在设计活荷作用下结构控制截面的受力情况。 6.1 试验方法 6.2 试验工况 根据桥梁的特点，对桥梁进行偏载加载，选择 I-I 截面附近跨中位置为控制截面，试验工况为 A-A 截面正弯矩工况， A-A 截面位置见 6.3 观测内容 （ 1 ）在各级荷载作用下试验跨梁体跨中控制截面的挠度产生及恢复情况； （ 2 ）在各级荷载作用下试验跨梁体跨中控制截面的应变分布及变化情况； （ 3 ）在各级荷载尤其是满荷载作用下结构整体性状况 4.1 加载方式 本次静载试验按照荷载等效模拟的方法进行逐级加载，并采用横向偏载加载。为减少试验环境影响，试验选择在环境温度比较稳定的夜间进行。 本次试验采用自重约为 250kN 的车辆加载。根据试验工况截面的弯矩影响线计算结果及试验加载车辆轴重情况确定试验加载轮位。现场实际加载车辆轴重见表 6.1 。 车辆序号 车牌号 前轴重 后轴重 车辆总重 1 渝 BG9658 66 194.4 260.4 2 粤 W03061 70.4 173.5 243.9 表 6.1 实际加载车辆重量（单位： kN ） 6.5 测试内容与方法 6.5.1 应变测点布置 应变观测采用振弦式应变计进行，在拱顶布设 12 个应变观测点（见图 6.1 ），在拱脚布设 2 个应变观测点（见图 6.2 ）。 图 6.1 II-II 截面应变测点布置图 ( 单位： m) 图 6.2 III-III 截面应变测点布置图 ( 单位： m) 6.5.2 挠度测点布置 挠度观测采用张线式位移计进行， IV-IV 及 I-I 断面布置挠度观测点共 11 个，具体布置见图 6.3 ～图 6.4 所示。 图 6.3 IV-IV 断面挠度观测点布置图 ( 单位： m) 图 6.4 I-I 断面挠度观测点布置图 ( 单位： m) ) 6.6.1 挠度变形分析 （ 1 ）挠度测量结果 测点编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 初读数 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 00 0.0 0.0 0.0 第一级加载 0.0 0.0 -0.4 -1.1 -0.9 -0.4 -0.4 0.0 0.0 0.0 0.0 正弯矩满载 0.0 -0.9 -1.3 -2.7 -1.3 -0.9 -0.4 0.0 0.0 0.0 0.0 卸载 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 注：正值表示变形向上，负值表示变形向下。 6.6 、试验结果分析 表 6.4 挠度实际测量结果表（单位： mm ） （ 2 ）挠度校验系数 由表 5 可知，正弯矩工况满载下， 4# 测点实测弹性挠度值最大，故作为挠度控制点， 4# 测点实测弹性挠度值为 -2.7mm ，理论挠度值为 -4.3mm ，校验系数为 0.63 ； 试验工况 测点 实测弹性挠度值 理论计算挠度值 校验系数 A-A 截面 正弯矩工况 1# 0.0 -0.1 - 2# -0.9 -2.3 - 3# -1.3 -3.3 - 4# -2.7 -4.3 0.63 5# -1.3 -3.3 - 6# -0.9 -2.1 - 7# -0.4 -0.1 - 8# 0.0 -0.4 - 9# 0.0 0 - 注：正值表示变形向上，负值表示变形向下。 表 6.5 实测弹性挠度值与理论计算值对比表（单位： mm ） ) （ 3 ）残余变形 表 6.4 表明，试验跨跨中截面相对残余变形均为 0 ，说明结构恢复能力较好。 ) 测点编号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 9# 10# 11# 初读数 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 00 0.0 0.0 0.0 第一级加载 0.0 0.0 -0.4 -1.1 -0.9 -0.4 -0.4 0.0 0.0 0.0 0.0 正弯矩满载 0.0 -0.9 -1.3 -2.7 -1.3 -0.9 -0.4 0.0 0.0 0.0 0.0 卸载 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 注：正值表示变形向上，负值表示变形向下。 表 6.4 挠度实际测量结果表（单位： mm ） 6.6.2 应变分析 （ 1 ）应变测量结果 表 6.6 为正弯矩试验工况控制截面的实测应变值，图 15 为 5# 应变测点应变值随荷载效率系数变化曲线图； 图 15 可知，各级加载情况下， 5# 测点实测应变小于理论计算应变，实测变化曲线图线形与理论计算曲线线形比较接近。 测点编号 一级加载 正弯矩满载 卸载 1# 6 31 1 2# 12 35 4 3# 13 34 3 4# -28 -44 -5 5# 20 42 4 6# -36 -45 -5 7# 21 40 4 8# -36 -40 -3 9# -34 -38 -2 10# 21 39 4 11# 21 35 3 12# 14 21 2 13# -9 -17 1 14# 5 11 2 表 6.6 应变实测结果表（单位： με ） 注：正值表示拉应变，负值表示压应变。 ) （ 2 ）应变校验系数 试验工况 测点 实测弹性应变值 理论计算应变值 校验系数 A-A 截面 正弯矩工况 3# 31 38 0.81 5# 37 52 0.71 7# 38 52 0.73 10# 35 38 0.92 注：正值表示拉应变，负值表示压应变。 表 6.7 为正弯表 7 实测应变与理论值对比表（单位： με ） （ 3 ）残余应变 表 6 表明，卸载后应变基本恢复至初始状态，控制测点 5# 和 7# 的相对残余应变均为 11% ，小于 20 % ，结构恢复能力较好。 ) 6.7 、结论 本次静载试验结果评价表见表 8 所示。 荷载试验工况 内容 实测值 规范要求 是否满足规范要求 A-A 截面 正弯矩工况 跨中挠度 (mm) 实测值 -2.7 0.6~1.05 是 理论值 -3.4 校验系数 0.63 截面应变 （ µ ε ） 实测值 37 0.6~1.05 是 理论值 52 校验系数 0.71 表 6.8 静载试验结果对比评价表 ) 1 、以上的荷载试验结果表明，本次试验效率系数满足规范规定的要求，试验结果可用于结构评定； 2 、该桥试验工况的挠度和应变校验系数均能够满足 《 大跨径混凝土桥梁的试验方法 》 的要求，该通道桥承载能力及使用性能满足设计荷载等级的要求； 3 、结构在卸载后基本能够恢复变形，相对残余变形和相对残余应变均小于 20 ％，满足规范的要求，结构变形及应变恢复能力较好； 4 、桥梁外观检查表明，波纹钢板及连接螺栓未发现异常现象。 ) 附图： 现场试验工况满载加载图 ) 现场应变测点布置 ) 现场挠度测点布置 七、其他施工事例 开挖式隧道 ( 韩国 ) Span 23m, Rise 6.9m, Length 50m 7 . 1 施工事例 开挖式隧道 ( 韩国 ) 7 . 2 施工事例 Span 9.06m, Rise 4.53m, Length 186m 地下通道 (韩国 ) 7 . 3 施工事例 Span 6.25m, Rise 6.25m, Length 47.94m 地下通道(韩国 ) 7 . 4 施工事例 Span 7.58m, Rise 4.51m, Length 27.88m 小桥梁 ( 韩国 ) 7 . 5 施工事例 Span 9.40m, Rise 3.40m, Length 8.08m 小桥梁 ( 韩国 ) Span 10.5m, Rise 4.5m, Length 9m 7 . 6 施工事例 小桥梁 ( 韩国 ) - Box Bridge Span 3.8m, Rise 1.5m, Length 4m 7 . 7 施工事例 小桥梁 ( 韩国 ) - Box Bridge Span 7.8m, Rise 2.3m, Length 34m 7 . 8 施工事例 防落石隧道 ( 韩国 ) Span 8m, Rise 4m, Length 28m 7 . 9 施工事例 排水管 ( 韩国 ) Span 2.25m, Rise 2.25m, Length 331m 7 . 10 施工事例 7 . 11 国外施工事例 小桥梁 ( 美国 ALASKA 高速道路 , 1950 年代施工 ) 7 . 12 国外施工事例 小桥梁 (Whitehorse Creek, Span : 24m, Rise : 12m) Span : 24m Rise : 12m 1,000ton 7 . 13 国外施工事例 桥梁 (Ontario, Span : 13.5m, Rise : 5.8m, Length : 25m) 谢 谢