CN113293713A - 一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构及施工方法，所述钢混组合波纹管涵包括内层钢模板和外层钢波纹管，所述外层钢波纹管与内层钢模板通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，后续填充聚丙烯纤维混凝土。该结构施工时先柔后刚，施工时重量轻，安装快，成型后整体刚度大，变形小，兼顾了钢波纹管和普通混凝土管涵的优点，并且采用分级受力技术、充分发挥各材料性能优势、消除各自病害，造价合理。

Description

一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构及施工方法

技术领域

本发明涉及一种新型波纹管涵结构技术领域，特别涉及一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构及施工方法。

背景技术

目前在市政、公路、铁路及水利工程中，常采用的装配式钢筋混凝土结构涵洞和通道，具有结构刚度大、后期养护简单等优点，但其对构件预制、施工作业、吊具器械等要求高、具有安装质量难以控制、构件易产生裂缝、造价高等难以消除的缺点。钢波纹管涵洞或通道作为一种近年来发展的新型涵洞结构，主要由钢、铝等材料组成，由完整节段拼装成整体或者由瓦片状分块板拼接成节段进而各节段拼装成整体，具有适应变形能力强，重量轻、安装方便、对地基承载力要求较低等优点。但钢波纹管作为一种柔性结构，施工对周围填土密实度要求高，具有施工回填质量难以控制、结构变形大，承载能力低、整体性能差等缺点，使得道路损坏情况常有发生。为有效克服上述涵洞结构受力变形大，易产生裂缝等病害，提高涵洞的承载能力，降低工程造价，充分发挥钢和混凝土的优势作用，有必要发明一种新型涵洞结构及其施工方法。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构及施工方法，该结构施工时先柔后刚，施工时重量轻，安装快，成型后整体刚度大，变形小，兼顾了钢波纹管和普通混凝土管涵的优点，并且采用分级受力技术、充分发挥各材料性能优势、消除各自病害，造价合理。

为实现上述目的，本发明采用如下方式实现：

一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构，所述钢混组合波纹管涵包括内层钢模板和外层钢波纹管，所述外层钢波纹管与内层钢模板通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，后续填充聚丙烯纤维混凝土。

本发明的进一步技术：

优选的，所述钢筋桁架以钢筋为上弦、下弦及腹杆，通过电阻点焊连接而成，钢筋桁架主受力方向为沿波纹管环向，其所述钢筋为光圆或带肋钢筋。

优选的，所述外层钢波纹管的条纹走向为以管体外侧凸点为波峰，以管体内侧凸点为波谷，所述波峰和波谷之间形成的褶皱条纹的延伸方向。

优选的，所述外层钢波纹管由多块弧形瓦片状板沿环向首尾相连搭接拼装组合而成，相互连环搭接时采用错位搭接，所述弧形瓦片状钢波形板四周预留搭接拼装用预留孔，预留孔内通过螺栓或铆钉连接。

优选的，所述钢混组合波纹管涵的施工方法：

对于高填土施工时，在预定位置或工厂预先将钢筋桁架焊接到钢模板上，然后在所述外层钢波纹管内安装预制好的钢筋桁架与钢模板的组合体，两者通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，形成钢组合体，然后在预定施工位置将钢组合体节段组合安装为管涵整体后，周边填土密实，待路基回填至设计标高、且变形初步稳定后，浇筑聚丙烯纤维混凝土密实腔体，形成混凝土填充层，养护成型后施工路面结构层，形成钢混组合式波纹管涵结构；

对于低填土施工时，在预定位置或工厂预先将钢筋桁架焊接到钢模板上，然后在所述外层钢波纹管内安装预制好的钢筋桁架与钢模板的组合体，两者通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，形成钢组合体，再浇筑聚丙烯纤维混凝土密实腔体，形成混凝土填充层，养护成型后形成钢混组合式波纹管涵节段，然后在预定施工位置将钢混组合体节段组合安装为管涵整体后，周边填土密实，路基回填至设计标高，施工路面结构。

本发明所述的分级受力结构原理为：第一阶段，利用钢波纹管自身的柔性、适应变形能力强、受拉性能突出的特点，在管涵上部填土施工过程中，利用自身变形优势，逐步释放管涵顶填土压力，在路基压实后形成土拱效应，将传统的管涵单独承载模式变成管涵和土拱共同承载模式，形成第一阶段钢结构单独受力变形平衡；第二阶段，在夹层内填充聚丙烯纤维混凝土，形成钢筋混凝土层，利用混凝土刚度大、受压能力突出的特点，承受后续路面结构重量及汽车荷载等重复活载，减少钢波纹管涵在长期、反复荷载作用下持续大幅变形，消除混凝土的易开裂病害，提升结构整体结构稳定性，保证工后管涵结构小变形甚至不变形，最终形成钢结构和混凝土组合的联合受力。

本发明所述的分级受力的钢混组合式波纹管涵结构，内层钢模板平顺无波纹，过水顺畅，且由于混凝土层的作用，外层钢波纹受到保护，后期无持续养护压力，增强了结构的耐久性和使用性能。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过设计新型分级受力的钢混组合波纹管涵结构，该结构通过分级受力、共同承担荷载作用，由外层钢波纹管、钢筋桁架及内层钢模板组合先承担初始大部分填土荷载，待发生变形稳定后，再由浇筑钢筋混凝土层承担重复荷载和延性变形，最终达到联合受力的目的，充分利用钢波纹管涵变形适应能力强和钢筋混凝土结构刚度大等特点，有效的解决涵洞常见的混凝土易开裂和工后变形量大等病害，大幅度提高结构整体承载能力和抗变形能力，提升稳定性。

2、本发明形成的分级受力的钢混组合波纹管涵结构，通过钢混组合结构联合受力的机理，有效弥补钢波纹管变形较大的弱点，同时可降低钢波纹管的厚度，进而有效的降低了钢波纹管的工程造价和重量，降低对地基承载力的要求，同时还能通过混凝土的保护作用有效降低后期养护成本，具有较好的经济效益。

3、本发明形成的分级受力的钢混组合波纹管涵结构，通过钢混组合结构联合受力的机理，有效克服装配式混凝土涵安装质量难以控制的弱点，安装方便，同时还能减轻涵洞重量，降低对地基承载能力要求。

4、本发明形成的分级受力的钢混组合波纹管涵结构，钢波纹管内侧的混凝土层有利于降低外层钢波纹管涵的锈蚀和冲刷，提高整体结构的耐久性和安全性。

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为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的剖面示意图；

图3为本发明中钢筋桁架示意图；

图4为钢筋桁架放大结构示意图；

图5为本发明中外层钢波纹管结构示意图(整体)；

图6为本发明中外层钢波纹管结构示意图(拼接)；

上述图中序号：1-钢波纹管、2-钢模板、3-钢筋桁架、4-螺栓、5-混凝土层、6-上弦钢筋、7-下弦钢筋、8-腹杆钢筋。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1，图1-6，一种分级受力的钢混组合式波纹管涵结构，包括外层钢波纹管1、内层钢模板2、钢筋桁架3、螺栓4、混凝土层5。所述外层钢波纹管1的条纹走向为以波纹管管体外侧凸点为波峰，以管体内侧凸点为波谷，所述波峰和波谷之间形成的褶皱条纹的延伸方向。所述的外层钢波纹管1为采用在工厂预先压制成型的波形钢板制成，管径较小时，所述外层钢波纹管1由一整块压型波形钢板整体成型(图5)，若管径较大时，所述外层钢波纹管1可由多块弧形瓦片状板沿环向首尾相连搭接拼装组合而成(图6)，相互连环搭接时采用错位搭接，提高搭接整体可靠稳定性水平，所述外层钢波纹管1的条纹走向与管涵轴向平行。所述弧形瓦片状钢波形板四周预留搭接拼装用预留孔，钢板选用Q235钢、Q345钢、Q235钢、Q390钢及Q420钢等制作。所述弧形瓦片状的钢波形板间连接构件可采用高强螺栓或铆钉。拼装时先由弧形瓦片状钢波形板环向拼装成第一环，接着将第二环弧形瓦片逐片与第一环拼接，拼接时轴向与环向接缝同步完成，直到第二环全部组装完成，重复实施第二环过程直至达到设计管节长度。

对于高填土施工时，在预定位置或工厂预先将钢筋桁架3焊接到钢模板2上，然后在所述外层钢波纹管1内安装预制好的钢筋桁架3与钢模板2的组合体，所述钢筋桁架以钢筋为上弦钢筋6、下弦钢筋7、腹杆钢筋8通过电阻点焊连接而成，钢筋桁架主受力方向为沿波纹管环向，其所述钢筋为光圆或带肋钢筋。外层钢波纹管1与内层钢模板2通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，形成钢组合体，然后在预定施工位置将钢组合体节段组合安装为管涵整体后，周边填土密实，待路基回填至设计标高、且变形初步稳定后，浇筑聚丙烯纤维混凝土密实腔体，形成混凝土填充层5，养护成型后施工路面结构层，形成钢混组合式波纹管涵结构，这种新型钢混组合式管涵结构构成一个整体受力结构，达到分级受力、分级变形的作用，由钢组合体主要承担大部分填土荷载和变形，待变形稳定后，由钢筋混凝土填充层承担后续荷载作用和变形，充分利用了外层钢波纹管的变形适用能力强和钢筋混凝土结构刚度大的特点，有效降低混凝土层裂缝的产生，克服工后涵洞变形量过大，大幅度提高整体结构的承载能力和抗变形能力。

实施例2，图1-6，一种分级受力的钢混组合式波纹管涵结构，包括外层钢波纹管1、内层钢模板2、钢筋桁架3、螺栓4、混凝土层5。所述外层钢波纹管1的条纹走向为以波纹管管体外侧凸点为波峰，以管体内侧凸点为波谷，所述波峰和波谷之间形成的褶皱条纹的延伸方向。所述的外层钢波纹管1为采用在工厂预先压制成型的波形钢板制成，管径较小时，所述外层钢波纹管1由一整块压型波形钢板整体成型，若管径较大时，所述外层钢波纹管1可由多块弧形瓦片状板沿环向首尾相连搭接拼装组合而成，相互连环搭接时采用错位搭接，提高搭接整体可靠稳定性水平，所述外层钢波纹管1的条纹走向与管涵轴向平行。所述弧形瓦片状钢波形板四周预留搭接拼装用预留孔，钢板选用Q235钢、Q345钢、Q235钢、Q390钢及Q420钢等制作。所述弧形瓦片状的钢波形板间连接构件可采用高强螺栓或铆钉。拼装时先由弧形瓦片状钢波形板环向拼装成第一环，接着将第二环弧形瓦片逐片与第一环拼接，拼接时轴向与环向接缝同步完成，直到第二环全部组装完成，重复实施第二环过程直至达到设计管节长度。

对于低填土施工时，在预定位置或工厂预先将钢筋桁架3焊接到钢模板2上，然后在所述外层钢波纹管1内安装预制好的钢筋桁架3与钢模板2的组合体，两者通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，形成钢组合体，所述钢筋桁架以钢筋为上弦钢筋6、下弦钢筋7、腹杆钢筋8通过电阻点焊连接而成，钢筋桁架主受力方向为沿波纹管环向，其所述钢筋为光圆或带肋钢筋。再浇筑聚丙烯纤维混凝土密实腔体，形成混凝土填充层5，养护成型后形成钢混组合式波纹管涵节段，然后在预定施工位置将钢混组合体节段组合安装为管涵整体后，周边填土密实，路基回填至设计标高，施工路面结构。这种新型钢混组合式管涵结构构成一个整体受力结构。由钢组合体结构和混凝土层共同承担填土等上部荷载。有效降低混凝土层裂缝的产生，大幅度提高管涵的承载能力和抗变形能力。

对于低填土地区亦可采用实施例1。

实施例1和实施例2的主要区别在于具体应用工况的不同，采用结构的施工方法与工序不同，这也是该发明的亮点之一。以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (2)

1.一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构的施工方法，其特征在于，对于高填土施工时，在预定位置或工厂预先将钢筋桁架焊接到钢模板上，然后在所述外层钢波纹管内安装预制好的钢筋桁架与钢模板的组合体，两者通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，形成钢组合体，然后在预定施工位置将钢组合体节段组合安装为管涵整体后，周边填土密实，待路基回填至设计标高、且变形初步稳定后，浇筑聚丙烯纤维混凝土密实腔体，形成混凝土填充层，养护成型后施工路面结构层，形成钢混组合式波纹管涵结构；

对于低填土施工时，在预定位置或工厂预先将钢筋桁架焊接到钢模板上，然后在所述外层钢波纹管内安装预制好的钢筋桁架与钢模板的组合体，两者通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，形成钢组合体，再浇筑聚丙烯纤维混凝土密实腔体，形成混凝土填充层，养护成型后形成钢混组合式波纹管涵节段，然后在预定施工位置将钢混组合体节段组合安装为管涵整体后，周边填土密实，路基回填至设计标高，施工路面结构。

2.根据权利要求1中所述的一种分级受力的钢混组合波纹管涵结构的施工方法，其特征在于，所述钢混组合波纹管涵包括内层钢模板和外层钢波纹管，所述外层钢波纹管与内层钢模板通过两侧环形布置的剪力钉或高强螺栓连接，中间通过钢筋桁架焊接，后续填充聚丙烯纤维混凝土。

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