波纹钢板桥涵的推广与应用

　　摘要：多角度论述波纹钢板桥涵的优点并介绍其设计与施工基本过程，为该新型结构在国内公路及市政工程的进一步推广和应用提供参考。
　　关键词：波纹钢板桥涵，设计，施工，应用
　　1.概述
　　2005年我国粗钢产量占全世界三分之一，达到3.5亿吨，2007年，我国钢产量突破4亿吨。钢产量的增长和科学技术水平的不断提高，为发展我国建筑钢结构建设事业创造了极好的时机。波纹钢板桥涵结构作为弥补目前普遍使用的混凝土结构缺陷的替代产品，是将4.0mm~8.0mm厚度的板材通过波纹成型增加其强度并通过组装施工的新型结构物。波纹钢板是一种典型的空间钢结构，不仅具有适应地基与基础变形的能力，可以解决因地基基础不均匀沉降导致的桥涵破坏问题。而且波纹钢板由于轴向波纹的存在，使其具有优良的受力特征，轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变，可以更大程度上分散荷载的应力集中。并且造价低、设计简单、施工工期短、减少工后养护成本、用材少、有利于环保。尤其在多年冻土、软土、膨胀土、湿陷性黄土等不良工程岩土地区，利用波纹钢板结构修筑桥涵更具有优势。因此具有广阔的应用前景。
　　波纹钢板结构的应用已有近百年历史，起源于1896年美国一家发明专利公司。自十九世纪末起，美国、加拿大、英国、日本等国家就开始研制、开发和应用波纹钢板桥涵，并制定了专门的设计、制造、施工安装手册和规范标准。日本在1980年的《日本高等级公路设计规范》中对波纹钢板桥涵有较为详细的论述。韩国在2002年发行了《波纹钢板结构物设计及施工指南》。加拿大于2002年发布并于2007年更新了《HandbookofSteelDrainage&HighwayConstruction》，对波纹钢板结构的设计与施工等方面作了较为详细的规定。
　　2.波纹钢板的优点
　　相对其它材料，波纹钢板具有明显的优势，具体表现在强重比，抗破坏性，耐火性，耐腐蚀性，安装便利性，无需养护，对各种环境的适应性。运用多层复合板技术，波纹钢管可以广泛地使用在各种尺寸与形状的结构物中。在工厂中，特定的波纹钢被加工成结构板，再经过成形与镀漆。便利的整捆分发方式，钢板很容易被联接成一个整管，拱桥，横向椭圆与管涵。
　　(1) 耐久性：通过采用适当的防腐措施，波纹钢板具有很长的使用年限。
　　(2) 施工便捷性，工期短：可将多张钢板叠放，即使是在狭小的施工现场，将施工空间最小化进行保管及运输，组装方便，施工速度快，质量好控制，不需要无需高级专业技术施工人员，甚至无需大型机械设备。与混凝土结构相比较，工期平均可缩短40%。
　　(3) 环境亲和性：减少天然骨料的使用，拆除时的钢材100%可重新利用；工程影响范围小，是柔性结构物，适用于软土、膨胀土地、湿陷性土地等地基承载力较低地区。壁面施工赋予出入口两端秀丽的外观，给人宽阔的开放感。减少对周边环境的破坏，节约修复费用，钢材的重新回收利用，不产生建设废弃物。
　　(4) 卓越的经济性：与混凝土结构相比较其低廉的工程费用可有效降低客户及施工方的预算。简便的施工方式可显著缩短施工工期，进而可使整个工程早期竣工并能节约养护及维修费用及减少因施工而引发的民怨。与混凝土结构相比较竣工后其开放感非常突出，由于降低天然骨料的使用，拆除时不产生建设废弃物可100%重新回收利用。
　　3.波纹钢板桥涵的设计要点
　　波纹钢板桥涵的设计过程就是通过公路路线总体设计要求及现场勘察确定涵洞的布设地点，根据净空要求或水力计算确定跨径（孔径），交角，出入口型式，再通过计算作用于波纹钢板荷载，确定出允许压应力，然后选择能满足此要求的涵洞的参数，参数包括波长、波高、板厚等。设计时应考虑的因素可归纳为以下几点：
　　(1) 根据净空或水文学、水力学和其他服务要求，确定出涵洞的结构、大小、形状、线形和坡度；
　　(2) 结构的强度能足够满足路堤和活载产生的压力，同时能抵制水流的冲刷；
　　(3) 选择合适的材料，使涵洞避免大的磨耗和腐蚀；
　　(4) 初期的材料和安装、维护费用，以及每年的附加费用。
　　波纹钢板桥涵的截面形状有十种之多，如圆形、椭圆形（横、竖）、梨形、拱形（一般拱、管拱、高拱、低拱）、箱型等，根据现场要求可选用合适形状满足各种跨径及净空需求，有特殊形状要求也可工厂定制。
　　
　　梨形     管拱形                                                                                                   高拱形    箱型
　　图1波纹钢板桥涵的截面形状
　　波纹钢板桥涵出入口型式大致分为：平面型、倾斜型、突出型、簸箕型以及混合型。
　　
　　平面型      倾斜型      突出型
　　图2波纹钢板桥涵出入口型式
　　波纹钢板桥涵结构设计主要包含波纹板材和连接件材料选择，并根据波形板厚等作总体结构计算、连接计算等。其主要受到填土、地面上车辆轮压力和车辆动荷载冲击力，以及经过涵管液体产生的内压力作用。考虑填土对动荷载的减弱作用，可不考虑动荷载对波纹钢板桥涵的影响。由于波纹钢板桥涵结构需考虑与土的共同作用，受力较为复杂，一般用Ansys等大型有限元软件进行整体结构分析和稳定分析。《HandbookofSteelDrainage&HighwayConstruction》中结构设计过程分9个步骤：1、确定最小容许覆土厚；2、选择回填压实度要求；3、计算设计承载力；4、计算板壁环压力；5、计算允许压应力；6、拟定板厚；7、检查最低处理刚度；8、验算接缝强度；9、拱的稳定性验算。
　　公路桥涵结构的设计使用年限为100年，因此波纹钢板桥涵的防渗、防腐不容忽视。在波纹板的搭接处采用防水密封材料，以确保拼缝搭接紧密不泌，防腐材料可根据结构所处地理位置的环境等级选用镀锌涂层、镀铝涂层等，在防腐条件恶劣的环境中选择性的添加非金属（聚合物）涂层，或在波纹管外侧金属涂层外加涂沥青等。
　　4.波纹钢板桥涵的施工要点.
　　波纹钢板桥涵按截面可划分为拱型截面与管（涵）型截面，拱需安置在混凝土基础上（地基承载力高时也可在拱端加平板直接放置在地基上），管直接放置在垫层上。
　　拱的的施工工序为：施工放样→挖地基及混凝土模板→安装基础沟道→基础混凝土施工→钢板组装及安装→面壁施工→回填掩埋→夯实→完工。
　　管（涵）的施工工序为：施工放样→基坑开挖→垫层填筑→管身安装→涵背回填→洞口铺砌及护坡防护→完工。
　　波纹钢板结构物是通过钢板与周边地形相互作用发挥其结构性能。因此结构物基础施工及回填掩埋的材料选定和施工上应格外注意。基础地基应能够承受包括结构物及回填掩埋材料在内的上部荷重，不能诱发过度的地面沉降。因此施工现场无法满足上述条件时应置换或改良使用优质的掩埋材料或予以加固。需将基础地基进行挖掘后安装结构物时，挖掘宽度要比结构物宽度宽3.0m以上。如果河床表面地表为岩石层的情况下，使用优质的碎石和沙子铺设架高30cm以上。
　　回填掩埋应采用压缩性小的材料或粒度均匀的材料，予以均匀夯实使之结构物周围产生均等的土压，因此基础地基及回填掩埋施工中应使用同一材料或将相仿的材料混合使用。填筑时应分层填筑、分层压实，松铺厚度为20~30cm，涵背两侧的部位回填采用级配良好的天然砂砾。在管身最大直径两侧50cm外使用18T压路机碾压，50cm范围内使用小型夯实机械夯实，以避免压路机等大型机械设备对管涵的撞击。
　　
　　除箱型外的所有截面   并列施工时（除箱型外）    箱型截面
　　图3结构回填掩埋范围（图中S为结构物跨幅，dc为最小覆土厚）
　　
　　5.结论
　　相对于圬工和钢筋混凝土桥涵，波纹钢板桥涵的应用,一方面节约了大量的石材、水泥，有利于环保；另一方面建设工期可以大幅度缩短,不仅加快了建设步伐，还充分体现了建设工期缩短使相对运营时间增加的经济效益，特别是在工期短的地区，如寒冷地区一年中施工期仅5至6个月。因此，应用波纹钢板桥涵更具有明显的优势。在抢险、保通工程中,应用波纹钢板桥涵更能体现其明显的社会效益和经济效益，因此该新型结构值得在国内公路和市政工程上进一步推广和应用。
　　参考文献：
　　[1] HandbookofSteelDrainage&HighwayConstruction，Canada，2007
　　[2] 李祝龙．公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究[D]．长安大学，2006．
　　[3] 公路桥涵施工技术规范[M]．北京：人民交通出版社，1999．