CN111455850B

CN111455850B - 超高填方波纹钢拱结构及施工方法

Info

Publication number: CN111455850B
Application number: CN202010206724.7A
Authority: CN
Inventors: 王志宏; 刘保东; 姚萌萌; 张继磊; 张广荣; 井立江; 孙胜玮; 王天利
Original assignee: Beijing Jiaotong University; Hengshui Yitong Pipe Industry Co Ltd
Current assignee: Beijing Jiaotong University; Hengshui Yitong Pipe Industry Co Ltd
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-11-12
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111455850A

Abstract

本发明提供了一种超高填方波纹钢拱结构及施工方法，属于桥涵施工技术领域。方法包括以下步骤：B、安装外层拱结构，并安装位移传感器和应变传感器，以监测并反馈外层拱结构对应部位的位移数据和应变数据；C、安装内层拱结构；F、进行第一阶段填方，直至位移数据和应变数据达到预设限值标准后结束；I、向外层拱结构和内层拱结构之间浇筑混凝土，并等待混凝土达到预设强度；J、进行第二阶段填方，直至达到预设标准后结束。结构包括外层拱结构、内层拱结构、填充体结构、位移传感器、应变传感器和数据传输模块。本发明能够在超高填方的工程中安装施工和实际使用的全过程都具有较高的稳定性和安全性。

Description

超高填方波纹钢拱结构及施工方法

技术领域

本发明属于桥涵施工技术领域，更具体地说，是涉及一种超高填方波纹钢拱结构施工方法。

背景技术

覆土钢波纹板拱桥是一种新型桥涵结构，变形适应能力强，能够与周围的压实土体产生土与结构相互作用，调动土体共同承担外荷载。相比于传统的混凝土拱圈，钢波纹板结构自重轻、施工简单且施工工期短、造价低、对地基扰动小、对基础要求较低，具有广阔的应用前景。在钢波纹板拱桥跨径较小或者覆土不高时，结构可以依靠自身的刚度满足桥涵的设计使用要求。但在超高填方的覆土钢波纹拱结构中，由于土压过大，仅靠单层钢波纹板自身来承担荷载可能会导致结构变形过大，限制了土-结相互作用的发挥，对结构的稳定性和安全性都会产生不利影响，变得不再可靠。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超高填方波纹钢拱结构施工方法，以解决现有技术中存在的超高填方的覆土中单层钢波纹拱结构的稳定性和安全性不再可靠的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种超高填方波纹钢拱结构施工方法，包括以下步骤：

B、安装外层拱结构，并安装位移传感器和应变传感器，以监测并反馈外层拱结构对应部位的位移数据和应变数据；

C、安装内层拱结构；

F、进行第一阶段填方，直至位移数据和应变数据达到预设限值标准后结束；

I、向外层拱结构和内层拱结构之间浇筑混凝土，并等待混凝土达到预设强度；

J、进行第二阶段填方，直至达到预设标准后结束。

在本发明的一个实施例中，在步骤B中，位移传感器安装在外层拱结构的拱顶内侧部位，位移数据包括外层拱结构拱顶的竖向位移数据和水平位移数据；应变传感器具有若干个，分别设在外层拱结构的内侧和内层拱结构内侧。

在本发明的一个实施例中，在步骤F中，在第一阶段填方过程中，位移传感器和应变传感器实时监测并反馈位移数据和应变数据，并计算位移数据和应变数据的变化率，位移数据和应变数据及其变化率均具有对应的限值标准；当位移数据和应变数据中一者达到对应的限值标准，或者位移数据的变化率和应变数据的变化率中的一者超过对应的限值标准时，给出第一警示信号以提醒施工者调整施工策略；当位移数据和应变数据全部达到对应的限值标准时，给出第二警示信号以提醒施工者结束第一阶段填方。

在本发明的一个实施例中，在步骤F之前，还包括以下步骤：

E、预设第一阶段填方的填方方案，根据填方方案模拟计算得到位移数据和应变数据的变化曲线；

在步骤F中，还包括以下步骤：

生成位移数据和应变数据的实际变化曲线，并与模拟计算得到的变化曲线进行比较，当差值超过预设范围时，给出第三警示信号以提醒施工者检查实际施工情况或调整施工策略。

在本发明的一个实施例中，还包括以下步骤：

G、根据位移数据和应变数据模拟外层拱结构的形状，并根据模拟得到的外层拱结构的形状计算内层拱结构的最优形状，内层拱结构的最优形状是指将内层拱结构形状设为该最优形状并填充混凝土后形成的拱结构具有最优的受力状态；

H、利用内拉装置在内层拱结构内施力，将内层拱结构拉拽为上述的最优形状的状态。

在本发明的一个实施例中，还包括以下步骤：

A、沿将涵洞的轴线方向将拱结构分为若干区段，并以区段为单元进行施工，整理工作面并浇筑拱结构基础；

D、在外层拱结构和内层拱结构之间安装剪力连接件。

为实现上述目的，本发明又采用的技术方案是：提供一种超高填方波纹钢拱结构，利用上述的超高填方波纹钢拱结构施工方法，包括外层拱结构、内层拱结构、填充体结构、位移传感器、应变传感器和数据传输模块，内层拱结构设在外层拱结构之内，且用于与外层拱结构之间形成填充空间；填充体结构设在填充空间中；位移传感器用于监测外层拱结构的拱顶的位移；应变传感器设在外层拱结构的内侧，用于监测外层拱结构对应部位的应变；数据传输模块一端分别与位移传感器和应变传感器电连接，用于传输数据信号。

在本发明的一个实施例中，还包括数据处理模块、数据输出模块和数据记录模块，数据处理模块与数据传输模块的另一端电连接，用于处理数据信号；数据输出模块与数据处理模块电连接，用于输出数据信号或警示信号；数据记录模块分别与位移传感器、应变传感器和数据传输模块电连接，用于记录数据信号。

在本发明的一个实施例中，数据输出模块包括显示器或警报器，数据传输模块包括无线信号传输模块；数据记录模块和数据传输模块均位于外层拱结构的根部外侧。

在本发明的一个实施例中，位移传感器的固定端设在内层拱结构的拱顶内侧，检测端与外层拱结构的拱顶内侧连接，用于监测外层拱结构的拱顶的竖向位移。

在本发明的一个实施例中，位移传感器与填充体结构之间设有防护套管。

在本发明的一个实施例中，还包括拱基基础，拱基基础设在工作面上，且设有用于与外层拱结构和内层拱结构的两侧根部连接的预埋连接件。

在本发明的一个实施例中，应变传感器具有若干个，分别设在外层拱结构的内侧和内层拱结构内侧；外层拱结构和内层拱结构之间还设有剪力连接件。

在本发明的一个实施例中，还包括内拉机构，内拉机构与内层拱结构连接，用于对内层拱结构向内拉拽。

在本发明的一个实施例中，内拉机构包括若干第一挂钩、均布杆和第二挂钩，若干第一挂钩均设在内层拱结构内侧，沿内层拱结构的内壁呈阵列设置；均布杆用于与在内层拱结构的同一母线上的第一挂钩连接；第二挂钩设在均布杆中部，且用于与提供拉拽动力的驱动设备连接。

在本发明的一个实施例中，内拉机构还包括地钩、拉绳和动力组件，地钩设在内层拱结构的对称轴与工作面所在平面的交点上；拉绳一端与第二挂钩连接，中部穿过地钩；动力组件与拉绳的另一端连接，用于对拉绳提供拉拽的牵引力。

本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法的有益效果在于：与现有技术相比，通过预设位移传感器和应变传感器在初步的第一阶段填方中检测外层拱结构的形状变化，直至位移数据和应变数据达到预设限值标准，能够利用土体的真实状态反映施工过程，避免人工估计和计算造成的误差，使外层拱结构能够准确地达到适合的预压状态，形成较好的受力状态后，再在外层拱结构和内层拱结构之间浇筑混凝土，形成外层受力良好的“钢-混-钢”结构，能够在极大提高结构承载力的同时，能够更加充分利用结构材料的特性，避免因在进一步的第二阶段填方阶段的土压力过大而发生较大变形导致的混凝土开裂等问题，有利于充分保证在超高填方的工程中的结构稳定性和安全性；同时，通过比较多次反馈的位移数据和应变数据，能够判断施工方案和施工速度是否合理，便于快速纠偏，避免施工事故；另外，位移传感器和应变传感器在第二阶段填方阶段中以及后续长期的使用过程中也能够获取整体拱结构的状态，以确保结构的稳定性和安全性。

本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的有益效果在于：与现有技术相比，通过外层拱结构、内层拱结构、填充体结构形成固结为一体，且受力良好的“钢-混-钢”结构，充分利用材料特性，能够大大提升整体结构的承载力，提高结构的稳定性和安全性，并通过位移传感器、应变传感器和数据传输模块监测并传输施工安装过程和使用状态下的结构变形情况，便于施工过程中控制结构安装和填方施工的进度和质量，保证施工安全稳定地进行，使得在超高填方的工程中安装施工和实际使用的全过程都具有较高的稳定性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法的流程示意图；

图2为本发明一种实施例提供的超高填方波纹钢拱结构的立视结构示意图；

图3为本发明一种实施例提供的超高填方波纹钢拱结构的横截面结构示意图；

图4为本发明一种实施例提供的超高填方波纹钢拱结构的局部结构示意图；

图5为本发明另一种实施例提供的超高填方波纹钢拱结构的横截面结构示意图。

其中，图中各附图标记：

10、外层拱结构；20、内层拱结构；30、填充体结构；

41、位移传感器；42、应变传感器；

51、数据传输模块；52、数据处理模块；

53、数据输出模块；54、数据记录模块；

60、拱基基础；61、预埋连接件；

71、第一挂钩；72、均布杆；73、第二挂钩；

74、地钩；75、拉绳；76、动力组件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现对本发明提供的一种超高填方波纹钢拱结构及施工方法进行说明。

请参阅图1，本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法，包括以下步骤：

C、安装内层拱结构；

J、进行第二阶段填方，直至达到预设标准后结束。

本文中的A-J仅代表步骤的编号，不用于限定步骤的顺序。

本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法，与现有技术相比，通过预设位移传感器和应变传感器在初步的第一阶段填方中检测外层拱结构的形状变化，直至位移数据和应变数据达到预设限值标准，能够利用土体的真实状态反映施工过程，避免人工估计和计算造成的误差，使外层拱结构能够准确地达到适合的预压状态，形成较好的受力状态后，再在外层拱结构和内层拱结构之间浇筑混凝土，形成外层受力良好的“钢-混-钢”结构，能够在极大提高结构承载力的同时，能够更加充分利用结构材料的特性，避免因在进一步的第二阶段填方阶段的土压力过大而发生较大变形导致的混凝土开裂等问题，有利于充分保证在超高填方的工程中的结构稳定性和安全性；同时，通过比较多次反馈的位移数据和应变数据，能够判断施工方案和施工速度是否合理，便于快速纠偏，避免施工事故；另外，位移传感器和应变传感器在第二阶段填方阶段中以及后续长期的使用过程中也能够获取整体拱结构的状态，以确保结构的稳定性和安全性。

请参阅图1，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法的一种具体实施方式，在步骤B中，位移传感器安装在外层拱结构的拱顶内侧部位，位移数据包括外层拱结构拱顶的竖向位移数据和水平位移数据；应变传感器具有若干个，分别设在外层拱结构的内侧和内层拱结构内侧。最终通过多点多参数检测充分反映外层拱结构和内层拱结构的形状变化，以便于更加精确地确定施工状态。

请参阅图1，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法的一种具体实施方式，在步骤F中，在第一阶段填方过程中，位移传感器和应变传感器实时监测并反馈位移数据和应变数据，并计算位移数据和应变数据的变化率，位移数据和应变数据及其变化率均具有对应的限值标准，以便于反映施工速度及施工方案中的一些安排的合理性。

当位移数据和应变数据中一者达到对应的限值标准，或者位移数据的变化率和应变数据的变化率中的一者超过对应的限值标准时，给出第一警示信号以提醒施工者调整施工策略。单一参数的剧烈变化可能是施工方案和施工速度中不合理的因素造成的，因此监测到之后就需要对施工方案和施工速度的相关情况进行研究，必要时需要作出调整，避免发生进一步的危害。

当位移数据和应变数据全部达到对应的限值标准时，给出第二警示信号以提醒施工者结束第一阶段填方。限值标准既可以是根据施工方案事先计算得到的，也可以是根据施工过程中的参数变化进行调整后的。当监测的参数全部达到对应的限值标准时，可以表明施工已经满足了进度要求，就可以进行下一步骤的施工。

请参阅图1，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法的一种具体实施方式，在步骤F之前，还包括以下步骤：

在步骤F中，还包括以下步骤：

这种先根据施工方案模拟施工生成曲线再采用曲线比较的方式，可以直观准确地体现出实际施工过程和施工方案中因地质条件、气候条件、施工误差等因素综合变化造成的差别，当差别超过允许的范围后，就有必要对施工方案和施工速度的相关情况进行研究，必要时需要作出调整，以确保施工的安全进行。

请参阅图1，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法的一种具体实施方式，还包括以下步骤：

由于混凝土的固结作用，在进行第二阶段填方的过程中内层拱结构也会逐渐受到土压力而变形，而上述的步骤能够对内层拱结构施加预应力，通过预拉模拟出填方完成后的受力状态，避免内层拱结构受力变形过大而造成混凝土开裂，保证结构的稳定性和安全性。

A、沿将涵洞的轴线方向将拱结构分为若干区段，并以区段为单元按之后的步骤进行施工，以便于大型工程的施工，之后整理工作面并浇筑拱结构基础，为填方施工做好准备；

D、在外层拱结构和内层拱结构之间安装剪力连接件，以增强外层拱结构和内层拱结构的联系，将在外层拱结构的部分形变传递至内层拱结构，避免不均匀变形导致的局部薄弱等问题。

请参阅图1，在一种具体实施例中，本发明提供的超高填方波纹钢拱结构施工方法按步骤A至步骤J的顺序施工进行。

请一并参阅图2至图4，本发明提供的超高填方波纹钢拱结构，包括外层拱结构10、内层拱结构20、填充体结构30、位移传感器41、应变传感器42和数据传输模块51，内层拱结构20设在外层拱结构10之内，且用于与外层拱结构10之间形成填充空间；填充体结构30设在填充空间中；位移传感器41用于监测外层拱结构10的拱顶的位移；应变传感器42设在外层拱结构10的内侧，用于监测外层拱结构10对应部位的应变；数据传输模块51一端分别与位移传感器41和应变传感器42电连接，用于传输数据信号。

本发明提供的超高填方波纹钢拱结构，与现有技术相比，通过外层拱结构10、内层拱结构20、填充体结构30形成固结为一体，且受力良好的“钢-混-钢”结构，充分利用材料特性，能够大大提升整体结构的承载力，提高结构的稳定性和安全性，并通过位移传感器41、应变传感器42和数据传输模块51监测并传输施工安装过程和使用状态下的结构变形情况，便于施工过程中控制结构安装和填方施工的进度和质量，保证施工安全稳定地进行，使得在超高填方的工程中安装施工和实际使用的全过程都具有较高的稳定性和安全性。

请参阅图3，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，还包括数据处理模块52、数据输出模块53和数据记录模块54，数据处理模块52与数据传输模块51的另一端电连接，用于处理数据信号；数据输出模块53与数据处理模块52电连接，用于输出数据信号或警示信号；数据记录模块54分别与位移传感器41、应变传感器42和数据传输模块51电连接，用于记录数据信号。

数据输出模块53包括显示器或警报器，数据传输模块51包括无线信号传输模块；数据记录模块54和数据传输模块51均位于外层拱结构10的根部外侧。

请参阅图3，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，位移传感器41的固定端设在内层拱结构20的拱顶内侧，检测端与外层拱结构10的拱顶内侧连接，用于监测外层拱结构10的拱顶的竖向位移。

作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，位移传感器41与填充体结构30之间设有防护套管，以防止位移传感器41与填充体结构30之间固结。应变传感器42外侧设有柔性防水胶贴，以在浇筑混凝土的填充体结构30时进行防护的同时避免对应变传感器42的灵敏性产生影响。柔性防水胶贴内侧与应变传感器42和外层拱结构10的内壁粘结，并将应变传感器42封闭在中部，柔性防水胶贴外侧布设有膨胀条，用于吸水后缓慢膨胀，待混凝土凝固后将应变传感器42压紧在外层拱结构10的内壁上。

请一并参阅图2和图3，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，还包括拱基基础60，拱基基础60设在工作面上，且设有用于与外层拱结构10和内层拱结构20的两侧根部连接的预埋连接件61。

请参阅图3，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，应变传感器42具有若干个，分别设在外层拱结构10的内侧和内层拱结构20内侧；外层拱结构10和内层拱结构20之间还设有剪力连接件，以防止拱结构受到剪切破坏导致严重变形。

请参阅图5，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，还包括内拉机构，内拉机构与内层拱结构20连接，用于对内层拱结构20向内拉拽。

请参阅图5，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，内拉机构包括若干第一挂钩71、均布杆72和第二挂钩73，若干第一挂钩71均设在内层拱结构20内侧，沿内层拱结构20的内壁呈阵列设置；均布杆72用于与在内层拱结构20的同一母线上的第一挂钩71连接；第二挂钩73设在均布杆72中部，且用于与提供拉拽动力的驱动设备连接。

请参阅图5，作为本发明提供的超高填方波纹钢拱结构的一种具体实施方式，内拉机构还包括地钩74、拉绳75和动力组件76，地钩74设在内层拱结构20的对称轴与工作面所在平面的交点上；拉绳75一端与第二挂钩73连接，中部穿过地钩74；动力组件76与拉绳75的另一端连接，用于对拉绳75提供拉拽的牵引力。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种超高填方波纹钢拱结构施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

C、安装内层拱结构；

H、利用内拉装置在内层拱结构内施力，将内层拱结构拉拽为上述的最优形状的状态；

J、进行第二阶段填方，直至达到预设标准后结束。

2.如权利要求1所述的超高填方波纹钢拱结构施工方法，其特征在于：在所述步骤B中，所述位移传感器安装在外层拱结构的拱顶内侧部位，所述位移数据包括外层拱结构拱顶的竖向位移数据和水平位移数据；所述应变传感器具有若干个，分别设在所述外层拱结构的内侧和所述内层拱结构内侧。

3.如权利要求1或2所述的超高填方波纹钢拱结构施工方法，其特征在于：在所述步骤F中，在第一阶段填方过程中，位移传感器和应变传感器实时监测并反馈位移数据和应变数据，并计算位移数据和应变数据的变化率，位移数据和应变数据及其变化率均具有对应的限值标准；当位移数据和应变数据中一者达到对应的限值标准，或者位移数据的变化率和应变数据的变化率中的一者超过对应的限值标准时，给出第一警示信号以提醒施工者调整施工策略；当位移数据和应变数据全部达到对应的限值标准时，给出第二警示信号以提醒施工者结束第一阶段填方。

4.如权利要求1所述的超高填方波纹钢拱结构施工方法，其特征在于：在所述步骤F之前，还包括以下步骤：

E、预设第一阶段填方的填方方案，根据所述填方方案模拟计算得到位移数据和应变数据的变化曲线；

在所述步骤F中，还包括以下步骤：

5.如权利要求1所述的超高填方波纹钢拱结构施工方法，其特征在于：还包括以下步骤：

D、在外层拱结构和内层拱结构之间安装剪力连接件。

6.一种超高填方波纹钢拱结构，其特征在于，利用如权利要求1-5任一项所述的超高填方波纹钢拱结构施工方法，包括：

外层拱结构（10）；

内层拱结构（20），设在所述外层拱结构（10）之内，且用于与外层拱结构（10）之间形成填充空间；

填充体结构（30），设在所述填充空间中；

位移传感器（41），用于监测所述外层拱结构（10）的拱顶的位移；

应变传感器（42），设在所述外层拱结构（10）的内侧，用于监测所述外层拱结构（10）对应部位的应变；以及

数据传输模块（51），一端分别与所述位移传感器（41）和所述应变传感器（42）电连接，用于传输数据信号。

7.如权利要求6所述的超高填方波纹钢拱结构，其特征在于，所述超高填方波纹钢拱结构还包括：

数据处理模块（52），与所述数据传输模块（51）的另一端电连接，用于处理数据信号；

数据输出模块（53），与所述数据处理模块（52）电连接，用于输出数据信号或警示信号；

数据记录模块（54），分别与所述位移传感器（41）、所述应变传感器（42）和所述数据传输模块（51）电连接，用于记录数据信号；

拱基基础（60），设在工作面上，且设有用于与所述外层拱结构（10）和所述内层拱结构（20）的两侧根部连接的预埋连接件（61）；以及

内拉机构，与所述内层拱结构（20）连接，用于对内层拱结构（20）向内拉拽。

8.如权利要求7所述的超高填方波纹钢拱结构，其特征在于，所述内拉机构包括：

若干第一挂钩（71），均设在内层拱结构（20）内侧，沿内层拱结构（20）的内壁呈阵列设置；

均布杆（72），用于与在所述内层拱结构（20）的同一母线上的所述第一挂钩（71）连接；

第二挂钩（73），设在所述均布杆（72）中部，且用于与提供拉拽动力的驱动设备连接；

地钩（74），设在所述内层拱结构（20）的对称轴与工作面所在平面的交点上；

拉绳（75），一端与所述第二挂钩（73）连接，中部穿过所述地钩（74）；

动力组件（76），与所述拉绳（75）的另一端连接，用于对拉绳（75）提供拉拽的牵引力。

9.如权利要求7所述的超高填方波纹钢拱结构，其特征在于：所述数据输出模块（53）包括显示器或警报器，所述数据传输模块（51）包括无线信号传输模块；所述数据记录模块（54）和所述数据传输模块（51）均位于所述外层拱结构（10）的根部外侧；所述位移传感器（41）的固定端设在所述内层拱结构（20）的拱顶内侧，检测端与所述外层拱结构（10）的拱顶内侧连接，用于监测所述外层拱结构（10）的拱顶的竖向位移；所述位移传感器（41）与所述填充体结构（30）之间设有防护套管；所述应变传感器（42）具有若干个，分别设在所述外层拱结构（10）的内侧和所述内层拱结构（20）内侧；所述外层拱结构（10）和所述内层拱结构（20）之间还设有剪力连接件。