CN106245546A - 一种波纹钢管廊结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁工程领域，具体涉及一种波纹钢管廊结构，有效解决了拱圈顶部及两侧传统回填材料无法压实，以及拱圈两侧高度较低的问题，包括基座、拱圈、覆盖层，所述基座设有至少两个且结构相同相对设置，所述拱圈两端与基座上端面连接，所述覆盖层覆与拱圈上，所述拱圈包括拱顶、侧壁，所述拱顶为圆弧形，所述侧壁设有两个且，所述侧壁上端连接于拱顶两侧下端，所述侧壁下端与基座上表面连接，所述拱顶与侧壁之间设有第一夹角，所述侧壁与基座上表面之间设有第二夹角。本技术方案承载能力高、稳定性强，拱圈顶部及两侧传统回填材料能够充分压实，以及拱圈两侧高度较高便于后期附属设施安装。

Description

一种波纹钢管廊结构

技术领域

本发明属于拱桥领域，具体涉及一种波纹钢管廊结构。

背景技术

在国内公路铁路建设中，中桥、小桥和涵洞占有较大的比例，而中小桥及涵洞设计中绝大部分采用钢筋混凝土或圬工结构。钢筋混凝土或圬工结构，圬工量大，施工繁琐、工期长。在复杂的地质条件下，地基处理、基础工程及下部结构所占工程量较大，施工困难。一些结构适应地基变形能力和抗震性能普遍较差，当地基出现不均匀变形时，在结构内会产生较大的应力；如果应力超过材料强度，将引起混凝土结构的开裂和破坏，影响结构物的功能及寿命，维修费用巨大。拱式桥的主要承重结构为拱圈。由于拱脚两侧的水平推力作用，显著降低了荷载所引起的拱圈内的弯矩。但是，传统的石砌拱桥，工程数量巨大，且对石材质量、地基承载力和施工人员技能要求较高，而常见满堂式支撑系统对周转材料的需求量也比较大。

波纹钢板桥涵技术在国内目前还是一个新的领域。与其他材料预制品相比，波纹钢板具有截面小、柔性好、重量轻、便于存放和运输、施工工艺简单、组装快捷、施工工期短等优点，是一种在桥梁建设中具有较大推广潜力的新型产品。当前，波纹钢板结构在中小拱桥中应用的研究才刚刚起步。波纹钢板制品修建的为数不多的覆土钢波纹板桥最大跨径不超过10m。例如，申请号为201310220380.5的中国发明专利公开了一种圆弧拱钢波纹板桥涵结构，单孔跨度仅为4m。覆土钢波纹板桥往往钢材用量较多，且桥梁自重较大。

为增大结构的跨越能力、拓展波纹钢板制品使用范围，进一步降低拱上填土恒载自重、提高波纹钢板裸拱的强度和刚度是十分关键的。申请号为201320127712.0的中国发明公开了一种采用内外两层波纹钢板对扣连接，内部空间填充抗压填充物的组合式波纹钢板拱桥建造方法。申请号为201310079450.X的中国发明专利公开了一种空腹式大跨填土复合波纹钢板拱桥结构，该组合结构大跨主拱圈采用夹心砂浆复合波纹钢板，波纹钢板通过螺栓连接成反置双层板并在夹层设置栓钉填充高强砂浆形成整体的夹心砂浆复合波纹钢板，腹孔采用波纹钢管，主拱圈和腹孔间通过填土传递荷载。

对于大跨度拱桥，需要拱圈具有较高的承载力，特别是，在拱顶砂砾填料压实阶段，需要拱圈具有较强的抗屈曲破坏能力。上述专利提出了通过内外两层波纹钢板对扣连接以及在内部空间填充抗压填充物等增强结构承载力措施。事实上，对波纹钢板拱圈承载力增强效果十分有限，并且工艺较为繁琐，注浆填充质量不易检测和控制，波纹钢板漏浆问题也不易解决。

申请号为201220628320.8的中国发明公开了一种双层波纹钢板拱桥，包括至少两个基础部以及由波纹钢板制作的两层拱形承重部和填充在其中的抗压填充部。但是，没有涉及拱圈以上构造和填充部的结构和材料的设计及施工方法。

申请号为201410421742.1的中国发明专利公开了一种覆土波纹钢板-混凝土组合说明书1/9页4CN105648892A4拱桥的加强方法，发明中采用了与申请号为201320127712.0的中国发明及申请号为201310079450.X的中国发明专利类似的波纹钢板-混凝土组合拱圈。第二波纹钢板反置于第一波纹钢板下部，之后在横纵向通过高强螺栓进行拼接形成加劲波纹钢板拱圈；从拱脚向拱圈空腔内压浆灌注混凝土；在第一波纹钢板顶部浇筑混凝土。然而，申请号为201410421742.1的发明专利与申请号为201310079450.X发明专利存在两个方面共同的问题。首先，采用普通砂砾作为拱顶填料，主拱圈及腹孔波纹管附近的填土难以压实，人工夯实效率较低，并会对主拱圈内混凝土强度造成影响；当压实度难以保证或压实不均匀时，钢板拱壳在不平衡压力(荷载)作用下，容易失去稳定性；其次，通过采用金属波纹管等中空结构置换填土来减轻桥梁自重，成本较高。

采用普通波纹钢板与砂砾构筑而成的覆土波纹钢板桥涵，主要依靠柔性波纹钢板拱壳附近填土的被动土压力支撑，实现结构的稳定。如果拱壳顶部填土厚度较小，拱壳之上填土由于缺乏足够的约束，抗剪强度较低，在施工和运营期间，拱壳挤出力作用较大的位置，拱壳结构将会发生较大的变形，甚至失稳。为扩散施工机械荷载及行车荷载产生的应力，防止波纹钢板拱壳产生过大的变形，保证施工和运营期间波纹钢板拱壳的稳定，美国和加拿大等国的规范和指南中规定，应根据桥涵跨径，满足一定的最小填土厚度(0.6～1.2m)的要求。然而，如果路基边坡坡率按1:1.5计算，拱桥或涵洞顶部填土每减少或增加1m，拱桥的宽度和涵洞的长度会相应有3m的变化，钢材等材料用量随之显著变化。一些路基填土高度受限地段，设计者一般通过增加桥涵孔数并压缩桥涵孔径来满足泄洪要求，但多孔拱桥(涵洞)水力条件通常较单跨桥梁差。美国专利4563107公开了一种波纹板拱壳-翼梁结构系统，试图通过在拱壳顶部布设翼板梁扩散行车荷载应力，防止钢板拱壳失稳。但是，由于普通砂石材料填筑的路堤下部地基承受的荷载远高于拱壳底部地基承受荷载，严重的路-桥差异沉降常常导致翼板与其下方的填土脱离，进而出现翼板脱空和折断病害，使用效果并不理想。

圬工拱桥主拱圈是曲线型，一般情况下车辆无法直接在弧面上行驶，所以在行车道系与主拱圈之间需要有传递荷载的填充物。为了降低成本而就地取材，通常采用砾石、碎石、粗沙或卵石夹黏土并加以夯实；当填料不易取材时，往往改用砌筑式拱上建筑，通常采用干砌圬工或浇筑素混凝土作为拱上填料。上述传统拱上填料表观密度一般为1800～2450kg/m3，拱圈内力较大，不利于结构的受力。如果采用透水性欠佳的黏性土填料，水渗入后拱上填料自重增加，降低拱桥的承载车辆荷载的能力；含水量增大后产生的膨胀压力常常导致侧墙及路面开裂；而渗水流至主拱圈，导致裂缝处钢筋锈蚀，削弱钢筋截面面积；钢筋锈蚀后膨胀，引起混凝土剥落，严重影响拱桥的承载能力及使用耐久性。申请号为201210105040.3的中国发明专利公开了一种使用轻质混凝土作为拱上填料的圬工拱桥。轻质混凝土填料层的材料采用无砂大孔混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、粘土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、浮石或火山渣混凝土、自燃煤矸石混凝土和膨胀矿渣珠混凝土中的一种或多种。表观密度为800～1950kg/m3。申请号为201210140016.3的中国发明专利公开了一种EPS轻质混凝土加固拱桥的方法，容重约为12kN/m3，抗压强度约为1.7MPa。上述专利涉及的轻质混凝土采用的轻质骨料或废旧EPS材料，由于材料来源问题，运距较远，难以在交通不发达的偏远地区新建公路和铁路工程中推广应用。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术中的不足，提供一种波纹钢管廊结构。该结构具有承载能力高等特点，有效解决了拱圈顶部及两侧传统回填材料无法压实，以及拱圈两侧高度较低的问题。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种波纹钢管廊结构，包括基座、拱圈、覆盖层，所述基座设有至少两个且结构相同相对设置，所述拱圈两端与基座上端面连接，所述覆盖层覆与拱圈上，其特征在于：所述拱圈包括拱顶、侧壁，所述拱顶为圆弧形，所述侧壁设有两个且，所述侧壁上端连接于拱顶两侧下端，所述侧壁下端与基座上表面连接，所述拱顶与侧壁之间设有第一夹角，所述侧壁与基座上表面之间设有第二夹角。

采用上述技术方案的发明，经测量计算拱圈跨度后，进行地基整平等工序，并于拱圈两端下方位置开挖沉井，以用于基座支撑；将拱圈两端架设于基座上，再将覆盖层覆于拱圈上，在覆盖施工的过程中拱圈可以作为施工平台支撑，便于施工；

拱圈由拱顶和位于拱顶两侧的侧壁组成，侧壁与拱顶之间设有第一夹角，侧壁与基座之间设有第二夹角，且第一夹角为115°至125°，第二夹角为75°至85°，侧板上端作为拱顶的支撑点，一并承载了覆盖层的重量，第一夹角优选为120°，第二夹角优选为80°，侧板上端向内收拢下端向外分开；在填埋覆盖层的时候对于侧壁外侧填埋物的挤压下能够有效的将力分散；同时，也提高了拱圈内空两侧的高度，便于通行。

作为本发明一种波纹钢管廊结构的一种优选，所述覆盖层从下至上依次分为沙土层、混凝土层、沥青层。

分为多层不同材质，沙土层用于基础填埋，混泥土层用于沙土层表层加固，并作为沥青混泥土层的附着体；基础填埋用量大，使用沙土层能极大的降低制作成本。

作为本发明一种波纹钢管廊结构的一种优选，所述沙土层内设有土工栅格，所述沙土层内还设有加强筋，所述加强筋竖直设置，所述加强筋上端与沙土层上表面持平。

土工栅格在沙土层填埋过程中均匀的植入，能够提高沙土层结构的稳定性；同时，竖直的插入加强筋使沙土层的结构稳定性得到进一步加强。

作为本发明一种波纹钢管廊结构的一种优选，所述混凝土层上表面开有若干条型槽，所述条型槽横向设置且均匀分布，所述混凝土层表面铺设有土工栅格。

混泥土层表面开设若干条型槽，在沥青层浇灌时，沥青混泥土层能够渗如条形槽内，待沥青混泥土层凝固后，沥青层与混泥土层表面结合得更加稳固，同时也提高了沥青层结构的稳定性；同时，在浇灌沥青混泥土层浇灌的同时，在混泥土层表面铺设土工栅格，能够进一步提高沥青层结构的稳定性。

作为本发明一种波纹钢管廊结构的一种优选，所述基座上表面开有限位槽，所述限位槽底部预埋有异形螺栓，所述限位槽内嵌有限位板，所述限位板横截面为L形，所述限位板底面开有通孔且与异形螺栓配合固定。

设置限位槽，并在限位槽底部预埋异形螺栓，并通过异形螺栓固定有限位板，便于拱圈的安装及固定，将侧板下端通过限位板固定后，使拱圈安装结构更加稳固。

本发明还提供了使用这种波纹钢管廊结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：基座浇灌，在地基上铺设钢筋骨架并绑扎固定，并用模具固定；在基座上表面开限位槽，于限位槽底部预埋异形螺栓，最后用混凝土浇灌成型。

步骤二：拱圈安装，在限位槽内设置限位板，限位板通过异形螺栓固定，将侧板下端插入限位槽内且与限位板固定，再将拱顶两端与侧板上端固定，最后调试安装角度，第一夹角为115°至125°，第二夹角为75°至85°。

步骤三：覆盖层填埋，

1、沙土层调和，将细沙与碎石2：3比值均匀混合，在混合时加入细沙、碎石总质量3/10的水调匀，用遮阳布遮盖，静置1.5至3小时。

细沙与碎石加水调和，并用遮阳布遮盖静置，加入的水在静置时能够充分浸入细沙与碎石内。

2、沙土层填埋，将静置后的细沙、碎石混合物再加入总质量2/10的水泥拌匀，并分批次加入，每批次加入后需整平、压实，并在表面铺设土工栅格，每批次铺设厚度为14至16cm。

静置后的细沙与碎石饱含水分，调入水泥后，水泥能够将细沙与碎石内的水分吸出，水泥吸水之后会作为粘合剂，粘合细沙与碎石对沙土层进行加固；

将水先渗入在由水泥吸出，便于原料运输，可以在施工现场设置小型搅拌站即可满足施工需求，避免长途的运输混泥土而造成成本增高的问题；

分层铺设，使需要压实的沙土层厚度得以降低，便于施工且降低压实沙土层的施工难度，在每层沙土层整平压实之后铺设土工栅格，能够使沙土层结构的稳定性得到有效的增强；

同时，水泥吸水凝固的过程是一个放热的过程，上述施工模式，将水泥的吸水凝固过程与填埋过程结合，能够有效的利用水泥吸水凝固而放出的热量，并将此热量用于沙土层的烘干，大大的缩短了施工等待的时间，进而缩短工期，降低了人工成本。

3、沙土层加固，对沙土层垂直打孔，在孔内插入钢筋，并用混凝土灌入孔内，对钢筋固定。

带沙土层板结之后，即在沙土层表面竖直打孔，打孔深度因等于或略小于沙土层厚度，并于孔内插入加强筋并灌入混泥土浆，以固定加强筋，通过设置加强筋进一步提高沙土层的结构稳定性。

4、混泥土层浇灌，用钢筋捆扎形成骨架，将混凝土灌入骨架，并用震动棒压实，静置；当混泥土层达到工艺强度70％时，对混泥土层表面开条形槽，条型槽深度3至5cm。

钢筋捆扎形成的骨架能够使混泥土层的承载力和抗震能力得以提高；用开槽机械对混泥土层表面开条型槽备用，工艺强度达到70％时进行开槽作业，混泥土层强度未达顶峰，便于作业，降低劳动强度。

5、沥青层覆盖，将土工栅格平铺于混凝土层表面，将沥青混凝土加热后覆盖于土工栅格上，并用压路机压实，使沥青混泥土充满条形槽。

在浇灌沥青混泥土层浇灌的同时，在混泥土层表面铺设土工栅格，沥青层能够渗入条型槽内并与土工栅格结合，待沥青层冷却固定后，进一步提高沥青层结构的稳定性。

本发明与现有技术相比，承载能力高、稳定性强，拱圈顶部及两侧传统回填材料能够充分压实，以及拱圈两侧高度较高便于后期附属设施安装。

附图说明

本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明；

图1为本发明实施例1中一种波纹钢管廊结构的结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为异形螺栓、限位板安装结构示意图；

主要元件符号说明如下：

基座1、拱圈2、覆盖层3、拱顶4、侧壁5、第一夹角6、第二夹角7、沙土层8、混凝土层9、沥青层10、限位槽11、异形螺栓12、限位板13。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。

如图1、图2、图3所示，一种波纹钢管廊结构，包括基座1、拱圈2、覆盖层3，基座1设有两个且结构相同相对设置，拱圈2两端与基座1上端面连接，覆盖层3覆与拱圈2上，拱圈2包括拱顶4、侧壁5，拱顶4为圆弧形，侧壁5设有两个且，侧壁5上端连接于拱顶4两侧下端，侧壁5下端与基座1上表面连接，拱顶4与侧壁5之间设有第一夹角6，侧壁5与基座1上表面之间设有第二夹角7。

覆盖层3从下至上依次分为沙土层8、混凝土层9、沥青层10。

沙土层8内设有土工栅格，沙土层8内还设有加强筋，加强筋竖直设置，加强筋上端与沙土层8上表面持平。

混凝土层9上表面开有若干条型槽，条型槽横向设置且均匀分布，混凝土层9表面铺设有土工栅格。

基座1上表面开有限位槽11，限位槽11底部预埋有异形螺栓12，限位槽11内嵌有限位板13，限位板13横截面为L形，限位板13底面开有通孔且与异形螺栓12配合固定。

本发明还提供了使用这种波纹钢管廊结构的施工方法，包括以下步骤：

步骤一：基座1浇灌，在地基上铺设钢筋骨架并绑扎固定，并用模具固定；在基座1上表面开限位槽11，于限位槽11底部预埋异形螺栓12，最后用混凝土浇灌成型。

步骤二：拱圈2安装，在限位槽11内设置限位板13，限位板13通过异形螺栓12固定，将侧板下端插入限位槽11内且与限位板13固定，再将拱顶4两端与侧板上端固定，最后调试安装角度，第一夹角6为115°至125°，第二夹角7为75°至85°。

步骤三：覆盖层3填埋，

1、沙土层8调和，将细沙与碎石2：3比值均匀混合，在混合时加入细沙、碎石总质量3/10的水调匀，用遮阳布遮盖，静置1.5至3小时。

2、沙土层8填埋，将静置后的细沙、碎石混合物再加入总质量2/10的水泥拌匀，并分批次加入，每批次加入后需整平、压实，并在表面铺设土工栅格，每批次铺设厚度为14至16cm。

3、沙土层8加固，对沙土层8垂直打孔，在孔内插入钢筋，并用混凝土灌入孔内，对钢筋固定。

4、混泥土层浇灌，用钢筋捆扎形成骨架，将混凝土灌入骨架，并用震动棒压实，静置；当混泥土层达到工艺强度70％时，对混泥土层表面开条型槽，条形槽深度3至5cm。

5、沥青层10覆盖，将土工栅格平铺于混凝土层9表面，将沥青混凝土加热后覆盖于土工栅格上，并用压路机压实，使沥青混泥土充满条型槽。

以上对本发明提供的一种波纹钢管廊结构进行了详细介绍。具体实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种波纹钢管廊结构，包括基座、拱圈、覆盖层，所述基座设有至少两个且结构相同相对设置，所述拱圈两端与基座上端面连接，所述覆盖层覆与拱圈上，其特征在于：所述拱圈包括拱顶、侧壁，所述拱顶为圆弧形，所述侧壁设有两个且，所述侧壁上端连接于拱顶两侧下端，所述侧壁下端与基座上表面连接，所述拱顶与侧壁之间设有第一夹角，所述侧壁与基座上表面之间设有第二夹角。

2.根据权利要求1所述的一种波纹钢管廊结构，其特征在于：所述覆盖层从下至上依次分为沙土层、混凝土层、沥青层。

3.根据权利要求2所述的一种波纹钢管廊结构，其特征在于：所述沙土层内设有土工栅格，所述沙土层内还设有加强筋，所述加强筋竖直设置，所述加强筋上端与沙土层上表面持平。

4.根据权利要求2所述的一种波纹钢管廊结构，其特征在于：所述混凝土层上表面开有若干条型槽，所述条型槽横向设置且均匀分布，所述混凝土层表面铺设有土工栅格。

5.根据权利要求1所述的一种波纹钢管廊结构，其特征在于：所述基座上表面开有限位槽，所述限位槽底部预埋有异形螺栓，所述限位槽内嵌有限位板，所述限位板横截面为L形，所述限位板底面开有通孔且与异形螺栓配合固定。

6.一种波纹钢管廊结构施工方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：基座浇灌，在地基上铺设钢筋骨架并绑扎固定，并用模具固定；在基座上表面开限位槽，于限位槽底部预埋异形螺栓，最后用混凝土浇灌成型。

步骤二：拱圈安装，在限位槽内设置限位板，限位板通过异形螺栓固定，将侧板下端插入限位槽内且与限位板固定，再将拱顶两端与侧板上端固定，最后调试安装角度，第一夹角为115°至125°，第二夹角为75°至85°。

步骤三：覆盖层填埋，

1、沙土层调和，将细沙与碎石2：3比值均匀混合，在混合时加入细沙、碎石总质量3/10的水调匀，用遮阳布遮盖，静置1.5至3小时。

2、沙土层填埋，将静置后的细沙、碎石混合物再加入总质量2/10的水泥拌匀，并分批次加入，每批次加入后需整平、压实，并在表面铺设土工栅格，每批次铺设厚度为14至16cm。

3、沙土层加固，对沙土层垂直打孔，在孔内插入钢筋，并用混凝土灌入孔内，对钢筋固定。

4、混泥土层浇灌，用钢筋捆扎形成骨架，将混凝土灌入骨架，并用震动棒压实，静置；当混泥土层达到工艺强度70％时，对混泥土层表面开条型槽，条形槽深度3至5cm。

5、沥青层覆盖，将土工栅格平铺于混凝土层表面，将沥青混凝土加热后覆盖于土工栅格上，并用压路机压实，使沥青混泥土充满条型槽。