波纹板旧桥加固（箱形钢波纹板结构在梁式桥加固与拼宽中的应用）

彭海涛 邹德强 谭红平 江孝礼中国建筑第五工程局有限公司 湖南省交通规划勘察设计院有限公司 湖南金迪波纹管业有限公司

摘 要：为推广钢波纹板结构新技术新工艺的应用，该文通过一座典型公路小跨径简支梁桥加固与拼宽的成功案例，总结其方案选型、工程设计、理论计算、施工工艺等方面的研究成果，提出了旧桥加固与拼宽一体化结构，并在拼宽段采用CBS加强型钢波纹板结构，具有一定创新和推广意义。工程实践表明：钢波纹板结构具备良好的受力性能，工程造价低，施工速度快，适应能力强，实现了建筑产品化和工业化，具有广阔的工程应用前景。

关键词：箱形钢波纹板;简支梁桥;加固;拼宽;

随着经济建设的发展，中国的公路建设项目取得了巨大的成就，公路建设的技术标准不断提高，高速公路的建设实现历史性突破，地方性的公路里程增幅较大。但是随着交通事业的迅猛发展，运输量的大幅度提高，车辆载重量的日益增加，长期在自然环境(大气腐蚀，温度、湿度变化等)和使用环境(荷载作用频率的增加，材料与结构的疲劳等)的作用下，许多桥梁出现老化和衰退严重的现象，绝大部分的桥梁都处于“不健康”的工作状态。公路桥梁原设计标准低、结构构件老化，各种材料强度降低等导致桥梁承载能力降低、通行能力不足使许多桥梁逐渐不能适应现代交通的要求，威胁着人民生命财产的安全。

波纹钢结构诞生于1842年，在美国、加拿大、韩国等一些发达国家，钢波纹板结构已被广泛应用于公路工程建设和危桥加固中，并制定了设计规范、制造及施工安装手册，积累了较为成熟的波纹管涵的设计理论及修建和加固经验。中国对其研究与应用起步较晚，最早应用在滇缅战时公路涵洞工程，后成功应用在青藏高原冻融土地区路基涵洞工程。近年来，在桥涵工程、管道工程、小跨径旧桥(涵)加固工程、隧道加固工程等领域得到了一些应用。

贺文涛等以某项目4孔11 m简支板桥的加固改造工程为依托，研究波纹钢-混凝土组合结构在该项目中的应用。研究结果表明：该波纹钢结构方案施工简便，能够有效提高桥梁的刚度和承载能力[1];梁养辉、刘伯来等为探究重载作用下波纹钢板加固旧桥的受力性能，对现有1孔14.2 m波纹钢板加固的旧双曲拱桥进行现场试验[2];蔡事廷、符锌砂等结合1孔4.99 m圬工拱桥加固工程，经过理论计算论述了在旧桥上部结构完全失去承载力的情况下用波纹钢板加固旧桥的安全性[3];李百建等采用钢筋混凝土管作为既有管涵，通过试验确定了 5 个试件的试验承载力，了解了波纹钢管的作用，分析了偏心加固对加固管承载力的影响，提出了一种估算偏心加固管承载力的方法[4];郭长志、褚志成等通过对冻土地区既有盖板涵结构的病害调查、实地检测和数值模拟方法，分析了波纹钢加固盖板涵结构在正常状况和多种不利条件下的加固效果和受力状况[5]。由以上分析可以看出：大部分波纹钢结构加固结构为圆弧结构或者圆形结构，对箱形钢波纹板结构旧桥加固研究很少。箱形结构因其特有的空间性能，在国外的新建结构中得到了广泛应用，且有相应的产品和设计规范[6],因此，该文研究有助于该种结构在中国的推广应用。

在波纹钢产品规范编制方面，分别在2008年、2010年、2017年颁布了产品标准，其中2017年颁布的GB/T 34567—2017《冷弯波纹钢管》[7]为国家标准，这对于钢波纹板技术的应用起到了推动作用，但在设计规范方面，中国仅地方标准，主要沿用国外计算方法，缺乏行业统一的设计规范。

基于钢波纹板的危桥加固技术是一个节约成本，并且对桥身整体承载力产生显著提高的加固方法[8]。该文通过研究箱形钢波纹板结构在某中小跨径旧桥(涵)加固与拼宽中的应用，总结其设计要点、主要计算结果、施工工艺等，可为该技术的推广应用提供参考。

1 项目背景

某公路全线按一级公路标准建设，设计速度80 km/h, 路基宽度24.5 m, 桥涵设计汽车荷载为公路—Ⅰ级。

K19 229分离式立交桥上跨机耕道，旧桥采用1×13 m预应力简支空心板桥，重力式台、扩大基础，正交90°,桥宽15 m, 设计汽车荷载为汽车-超20级，挂车-120。因该桥位附近路段设计中线与现有路基中线形成偏移，如利用原桥加宽至24.5 m, 其中左侧加宽2 m, 右侧加宽7.5 m。为保证该桥的施工质量和安全，原设计方案拆除旧桥后，在原址新建1×13 m预应力混凝土简支空心板桥[9]。

基于旧桥拆除重建方案造价高，施工周期长，不利于交通组织，环境污染大，社会影响大等因素，综合技术经济比较，拟采用钢波纹板结构对该桥进行加固与拼宽，并立项研究。

2 钢波纹板加固设计方案

钢波纹板结构最大的优势之一是工厂预制、现场拼装的施工工艺，体现了化整为零、集零为整的思想，施工速度快，质量可靠，可根据需要加工成任意圆弧，结构实现了产品化，是真正意义上的工业化建筑。

钢波纹板结构主要断面形式有圆形、半圆、水平椭圆、竖向椭圆、箱形拱、梨形拱、管拱、多段圆弧拱等，可根据具体需要采用相适应的断面形式。该项目为满足桥下车辆通行净空和净宽(8.5 m×4.5 m),采用开口箱形截面，波纹板结构净跨径9.5 m, 净高3.04 m。

对于下部结构，该桥不均匀沉降包括基础纵向不均匀沉降和新旧基础横向不均匀沉降，就钢波纹板结构本身而言，由于其纵向横向均为曲线构形，变形能力强，属于典型柔性结构，根据相关文献研究结论，对地基基础的变位适应性较好[10]。此外，考虑到该桥基础条件较好，采用钢筋混凝土倒T形扩大基础，底宽1.6 m, 高度3.1 m, 基底承载力要求大于400 kPa。其桥型布置图如图1所示。

图1 旧桥加固段桥型布置图(单位：m) 下载原图

最大覆盖高度1.325 m, 根据AASHTO设计规范，箱形波纹板结构的覆土范围为0.43～1.5 m, 设计满足要求。钢波纹板内支撑压缩了桥下空间，为了满足桥下净空，拱顶半径设置为11.00 m, 超过了美国AASHTO规范要求的8.03 m, 拱腰圆弧半径1.25 m, 拱顶半径/拱腰半径=8.8,受力较为不利。鉴于该桥跨径大，圆弧半径大，从而导致弯矩大，根据GB/T 34567—2017《冷弯波纹钢管》,钢板规格拟选用“大波形”波形钢板，即400 mm×150 mm, 波纹弯曲半径R=81 mm, 钢板厚度8.0 mm。箱形截面如图2所示。

图2 箱形波纹板结构尺寸图(单位：m) 下载原图

对于旧桥加固部分，采用普通钢波纹板结构，钢波纹板与旧桥之间的空隙采用C30自密实微膨胀混凝土填充，钢波纹板结构与既有空心板共同受力。对两端拼宽部分，钢波纹板直接承载，为提高结构的整体刚度和安全性，采用CBS加强结构。CBS加强结构断面如图3所示。

图3 CBS加强结构断面图(单位：mm) 下载原图

根据图3,在波纹钢板上设置“U”形钢模，钢模与波纹钢板之间设置纵横向钢筋、锚栓等连接构造，在“U”形模板与波纹板波峰之间设置了聚氨酯止水条，拱顶设置混凝土浇筑孔，并在钢模与波纹钢板之间填充C30微膨胀混凝土。单个钢筋混凝土加劲肋覆盖两个波形，长度为720 mm, 高度为142 m。CBS采用钢筋混凝土合成方法，根据相关试验结果表明可以增大3倍压缩力和6倍抗弯强度。在拱顶位置，截面承担正弯矩，钢波纹板受拉而混凝土受压，充分发挥了材料性能优势。在拱肩位置，截面可能承担负弯矩，截面内配置的纵向受力钢筋发挥作用。

钢波纹板结构与扩大基础之间设置L形槽钢，采用高强螺栓连接，槽钢通过锚栓预埋至扩大基础中，钢波纹板结构拱脚近似铰接受力。拱脚钢波纹板与L形槽钢之间的空隙用防水砂浆填充。钢结构防腐采用镀锌，采用0号锌或者1号锌，单面镀锌量不小于600 g/m3。

台背采用泡沫轻质土回填，路槽底以下80 cm范围内不小于6.5 kN/m3,其余区域不小于5.0 kN/m3。7 d抗压强度：路槽底以下80 cm范围内≥0.6 MPa, 28 d抗压强度：路槽底以下80 cm范围内≥0.8 MPa, 其余区域≥0.6 MPa。

拼宽段两侧采用C30钢筋混凝土侧墙，厚度50 cm, 顶面设置防撞栏杆。

3 主要计算结果

考虑到中国尚无相关设计规范和技术标准，结构验算参照美国AASHTO计算方法，根据AASHTO,计算控制截面包括拱顶和拱腰。考虑到拱顶圆弧半径为11.00 m, 超过了美国AASHTO规范要求8.03 m, 因此不能采用规范中的内力分析公式，应进行有限元分析。因此，计算基本思路是通过分析软件得到波纹钢的轴力和弯矩，然后通过截面验算得到验算系数，若验算系数小于1则计算通过。

首先采用PENTAGON-3D建立整体计算模型，计算结构内力。在钢合梁弹性有限元分析中，采用以下假定：① 钢波纹板与混凝土均为理想的弹性体；② 钢筋混凝土与钢波纹板之间有可靠的连接交互作用，相对滑移很小，可以忽略不计；③ 平截面假定依然成立；④ 不考虑混凝土中的钢筋(该假设只在正弯矩承载力计算时成立，负弯矩承载力计算式需考虑钢筋作用)。考虑到结构温度、不均匀沉降所产生的结构内力很小，计算忽略不计，仅考虑恒载和汽车荷载，即计算工况：恒载 汽车荷载，其中恒载组合系数为1.5,汽车荷载组合系数为2.0,汽车荷载按最不利荷载布置。

结构计算模型如图4所示。

图4 结构计算模型 下载原图

对于旧桥加固段波纹板结构，钢波纹板结构与既有空心板结构协同受力，钢波纹板结构实际受力较小。

对于拼宽段CBS结构，荷载均由CBS结构承担，受荷较大。主要计算参数如下：加强间距800 mm; 截面面积A=15.899 mm2;塑性截面系数Z=1 175.84 mm3;惯性矩I=99 681 mm4;截面系数S=664.540 mm3;钢板屈服强度Fy=275 MPa。混凝土弹性模量Ec=2.6×105 MPa; 混凝土重度γc=25 kN/m3;土体重度γs=20 kN/m3;土体内摩擦角φ=35°。

对于拱顶，根据PENTAGON-3D计算结果，可得到截面轴力和弯矩分别为：

拱顶计算弯矩：Mfc=110.85 kN·m/m。

拱顶计算轴力：Cfc=845.62 kN/m。

拱顶塑性弯矩：Mpc=ϕZFy=291.02 kN·m/m。

拱顶塑性轴力：Crc=ϕAFy=3 935.00 kN/m, 其中，拱顶折减系数ϕ=0.9。

根据美国AASHTO计算方法，截面验算公式如下：

CfcCrc MfcMpc=845.623935.00 110.85291.02=0.596<1CfcCrc ΜfcΜpc=845.623935.00 110.85291.02=0.596<1。

因此，拱顶截面承载力满足要求。

对于拱腰，根据PENTAGON-3D计算结果，可得到截面轴力和弯矩分别是：

拱腰计算弯矩：Mfh=153.04 kN·m/m。

拱腰计算轴力：Cfh=619.99 kN/m。

拱腰塑性弯矩：Mph=ϕZFy=274.85 kN·m/m。

拱腰塑性轴力：Crh=ϕAFy=3716.39 kN/m,其中，拱腰折减系数ϕ=0.85。

截面验算公式如下：

CfhCrh MfhMph=619.993716.39 153.04274.85=0.724<1CfhCrh ΜfhΜph=619.993716.39 153.04274.85=0.724<1。

因此，拱腰截面承载力满足要求。

上述计算结果表明：对于箱形结构，拱腰安全储备比拱顶要小，为最不利设计断面。

此外，根据JTG 3363—2019《公路桥涵地基与基础设计规范》,扩大基础抗倾覆稳定系数7.292>2.0;抗滑移稳定系数2.617>1.5;基底最大压应力310.6 kPa<400 kPa。

4 主要施工工艺4.1 主要施工流程

扩大基础基坑开挖→倒T形扩大基础施工→钢波纹板现场拼装→CBS结构施工→侧墙施工→微膨胀自密实混凝土浇筑→泡沫轻质土浇筑→桥面及附属设施施工。其中钢波纹板拼装、CBS结构施工、台背回填为该项目的关键施工工序，该文重点描述。

4.2 钢波纹板拼装

钢波纹板结构纵向和横向均划分成较小的波纹板单元，纵向划分4块，长度2 830～4 105 mm。横向3个波长，宽1 280 mm。纵横拼缝均采用高强螺栓，纵向单元接缝采用3排M22高强螺栓连接，横向1排M22高强螺栓连接。所有波纹板片均在工厂内完成加工，所有螺栓孔均在镀锌前完成，并进行预拼装，合格后方可运输至现场。

施工时，首先在地面上拼接首榀钢波纹板结构，然后采用汽车吊吊装至扩大基础上的预埋槽钢之内，并以首榀结构为基础继续拼装，拼装示意图如图5所示。

图5 钢波纹板拼装示意图 下载原图

当拼接一定宽度后，采用铲运机整体拉拽部分波纹板结构至旧桥之下，当槽口内装配摩擦力较大时，在箱形结构内设置对拉结构，消除槽口内装配摩擦力。然后继续拼装波纹板片，重复整体拉拽和拼装工序，直至波纹板结构全部拼装就位。波纹板片搭接部分设置密封条防水。

4.3 CBS施工

首先折弯并安装纵向钢筋，并与锚栓绑扎成整体，安装“U”形模板，最后灌注自密实混凝土并养护。CBS的施工难点首先在于纵向钢筋为箱形，加工难度大。其次是控制好自密实混凝土配比，按照现行国家标准GB 50119《混凝土外加剂应用技术规范》的有关规定进行配合比设计，确保混凝土能密实。

4.4 台背回填施工

按照先浇筑旧桥加固段自密实填充混凝土，后浇筑拼宽段台背泡沫轻质土的顺序施工。旧桥加固段台背回填前，对旧桥桥台表面进行凿毛并植入钢筋，对空心板底仅凿毛处理，以提高新旧混凝土之间的黏结性能。回填自密实混凝土分层浇筑养护。

5 方案对比

相比原设计拆除重建方案，建安费节约30%,原方案工期约5个月，钢波纹板设计方案仅3个月，节约工期约40%。

6 结论

该文从设计构思、理论计算、施工工艺3方面研究了箱形钢波纹板结构在简支梁桥加固与拼宽中的应用。得到如下结论：

(1) 钢波纹板结构采用工厂预制、现场拼装工艺，具有施工速度快、质量可靠、耐久性好、受力性能好、结构适应能力强、节能环保等显著优势，实现了建筑产品化和工业化。

(2) 箱形钢波纹板结构，不仅实现了旧桥加固，而且实现了桥梁拼宽，外观保持一致，为旧桥加固与拼宽一体化结构，相比较原设计拆除重建方案，不仅节约了成本、加快了工期、保护了环境，而且解决了临时交通问题，取得了良好的经济和社会效益。

(3) 拼宽段采用CBS加强结构，提高了钢波纹板结构的强度和刚度，从而提高了承载能力，拓展了钢波纹板结构的应用范围，具有一定创新性。

(4) 根据计算结果拱顶截面承载力系数为0.596,拱腰截面承载力系数为0.724,表明拱腰受力较拱顶大，且拱腰半径越小受力越大，因此，拱腰为受力控制截面，设计时要特别注意。

参考文献

[1] 贺文涛，刘保东，撖刚，等．波纹钢-混凝土组合结构在桥梁加固改造中的应用研究[J]．工程抗震与改造加固，2019,41(1):104-111．

[2] 梁养辉，刘伯来，李涵，等．重载作用下波纹钢板加固旧桥的应变测试[J]．筑路机械与施工机械化，2019,36(6):138-142．

[3] 蔡事廷，符锌砂，曾彦杰．波纹钢在路桥加固中的运用[J]．低温建筑技术，2015,48(2):35-37．

[4] 李百建，朱良生，李勇，等．小波形波纹钢加固混凝土管涵的试验研究[J]．华南理工大学学报（自然科学版），2020,37(3):58-68．

[5] 郭长志，褚志成，王汉文，等．冻土地区波纹钢加固既有盖板涵研究[J]．水利与建筑工程学报，2020,18(1):135-140．

[6] American Association of State Highway and Transportion Officials.AASHTO LRFD Bridge Design Specifications[S].4th Edition,2007．

[7] 冶金工业信息标准研究院，衡水益通管业股份有限公司，河北腾是达金属结构有限公司，等．冷弯波纹钢管：GB/T34567-2017[S]．北京：中国标准出版社，2017．

[8] 李百建，符锌砂，江孝礼．波纹钢板-混凝土钢合梁在旧桥加固中的应用技术[J]．公路，2016,61(10):77-81．

[9] 湖南省交通规划勘察设计院有限公司．G354（原S312）娄底至涟源公路改建工程设计文件[R],2015．

[10] 李少波．大跨填土式波形钢板拱桥的受力分析[D]．长沙：湖南大学，2015.

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