采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)及其施工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于拱橋技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)及其施工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在國(guó)內(nèi)公路鐵路建設(shè)中，中橋、小橋和涵洞占有較大的比例，而中小橋及涵洞設(shè)計(jì)中絕大部分采用鋼筋混凝土或圬工結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土或圬工結(jié)構(gòu)，圬工量大，施工繁瑣、工期長(zhǎng)。在復(fù)雜的地質(zhì)條件下，地基處理、基礎(chǔ)工程及下部結(jié)構(gòu)所占工程量較大，施工困難。一些結(jié)構(gòu)適應(yīng)地基變形能力和抗震性能普遍較差，當(dāng)?shù)鼗霈F(xiàn)不均勻變形時(shí)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力;如果應(yīng)力超過材料強(qiáng)度，將引起混凝土結(jié)構(gòu)的開裂和破壞，影響結(jié)構(gòu)物的功能及壽命，維修費(fèi)用巨大。拱式橋的主要承重結(jié)構(gòu)為拱圈。由于拱腳兩側(cè)的水平推力作用，顯著降低了荷載所引起的拱圈內(nèi)的彎矩。但是，傳統(tǒng)的石砌拱橋，工程數(shù)量巨大，且對(duì)石材質(zhì)量、地基承載力和施工人員技能要求較高，而常見滿堂式支撐系統(tǒng)對(duì)周轉(zhuǎn)材料的需求量也比較大。
[0003]波紋鋼板橋涵技術(shù)在國(guó)內(nèi)目前還是一個(gè)新的領(lǐng)域。與其他材料預(yù)制品相比，波紋鋼板具有截面小、柔性好、重量輕、便于存放和運(yùn)輸、施工工藝簡(jiǎn)單、組裝快捷、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，是一種在橋梁建設(shè)中具有較大推廣潛力的新型產(chǎn)品。當(dāng)前，波紋鋼板結(jié)構(gòu)在中小拱橋中應(yīng)用的研究才剛剛起步。波紋鋼板制品修建的為數(shù)不多的覆土鋼波紋板橋最大跨徑不超過10m。例如，申請(qǐng)?zhí)枮?01310220380.5的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種圓弧拱鋼波紋板橋涵結(jié)構(gòu)，單孔跨度僅為4m。覆土鋼波紋板橋往往鋼材用量較多，且橋梁自重較大。
[0004]為增大結(jié)構(gòu)的跨越能力、拓展波紋鋼板制品使用范圍，進(jìn)一步降低拱上填土恒載自重、提高波紋鋼板裸拱的強(qiáng)度和剛度是十分關(guān)鍵的。申請(qǐng)?zhí)枮?01320127712.0的中國(guó)實(shí)用新型公開了一種采用內(nèi)外兩層波紋鋼板對(duì)扣連接，內(nèi)部空間填充抗壓填充物的組合式波紋鋼板拱橋建造方法。申請(qǐng)?zhí)枮?01310079450.X的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種空腹式大跨填土復(fù)合波紋鋼板拱橋結(jié)構(gòu)，該組合結(jié)構(gòu)大跨主拱圈采用夾心砂漿復(fù)合波紋鋼板，波紋鋼板通過螺栓連接成反置雙層板并在夾層設(shè)置栓釘填充高強(qiáng)砂漿形成整體的夾心砂漿復(fù)合波紋鋼板，腹孔采用波紋鋼管，主拱圈和腹孔間通過填土傳遞荷載。
[0005]對(duì)于大跨度拱橋，需要拱圈具有較高的承載力，特別是，在拱頂砂礫填料壓實(shí)階段，需要拱圈具有較強(qiáng)的抗屈曲破壞能力。上述專利提出了通過內(nèi)外兩層波紋鋼板對(duì)扣連接以及在內(nèi)部空間填充抗壓填充物等增強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載力措施。事實(shí)上，對(duì)波紋鋼板拱圈承載力增強(qiáng)效果十分有限，并且工藝較為繁瑣，注漿填充質(zhì)量不易檢測(cè)和控制，波紋鋼板漏漿問題也不易解決。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?01220628320.8的中國(guó)實(shí)用新型公開了一種雙層波紋鋼板拱橋，包括至少兩個(gè)基礎(chǔ)部以及由波紋鋼板制作的兩層拱形承重部和填充在其中的抗壓填充部。但是，沒有涉及拱圈以上構(gòu)造和填充部的結(jié)構(gòu)和材料的設(shè)計(jì)及施工方法。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮?01410421742.1的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種覆土波紋鋼板-混凝土組合拱橋的加強(qiáng)方法，發(fā)明中采用了與申請(qǐng)?zhí)枮?01320127712.0的中國(guó)實(shí)用新型及申請(qǐng)?zhí)枮?01310079450.X的中國(guó)發(fā)明專利類似的波紋鋼板-混凝土組合拱圈。第二波紋鋼板反置于第一波紋鋼板下部，之后在橫縱向通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行拼接形成加勁波紋鋼板拱圈；從拱腳向拱圈空腔內(nèi)壓漿灌注混凝土；在第一波紋鋼板頂部澆筑混凝土。然而，申請(qǐng)?zhí)枮?01410421742.1的發(fā)明專利與申請(qǐng)?zhí)枮?01310079450.X發(fā)明專利存在兩個(gè)方面共同的問題。首先，采用普通砂礫作為拱頂填料，主拱圈及腹孔波紋管附近的填土難以壓實(shí)，人工夯實(shí)效率較低，并會(huì)對(duì)主拱圈內(nèi)混凝土強(qiáng)度造成影響；當(dāng)壓實(shí)度難以保證或壓實(shí)不均勻時(shí)，鋼板拱殼在不平衡壓力(荷載)作用下，容易失去穩(wěn)定性;其次，通過采用金屬波紋管等中空結(jié)構(gòu)置換填土來減輕橋梁自重，成本較高。
[0008]采用普通波紋鋼板與砂礫構(gòu)筑而成的覆土波紋鋼板橋涵，主要依靠柔性波紋鋼板拱殼附近填土的被動(dòng)土壓力支撐，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。如果拱殼頂部填土厚度較小，拱殼之上填土由于缺乏足夠的約束，抗剪強(qiáng)度較低，在施工和運(yùn)營(yíng)期間，拱殼擠出力作用較大的位置，拱殼結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生較大的變形，甚至失穩(wěn)。為擴(kuò)散施工機(jī)械荷載及行車荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，防止波紋鋼板拱殼產(chǎn)生過大的變形，保證施工和運(yùn)營(yíng)期間波紋鋼板拱殼的穩(wěn)定，美國(guó)和加拿大等國(guó)的規(guī)范和指南中規(guī)定，應(yīng)根據(jù)橋涵跨徑，滿足一定的最小填土厚度(0.6?1.2m)的要求。然而，如果路基邊坡坡率按I: 1.5計(jì)算，拱橋或涵洞頂部填土每減少或增加lm，拱橋的寬度和涵洞的長(zhǎng)度會(huì)相應(yīng)有3m的變化，鋼材等材料用量隨之顯著變化。一些路基填土高度受限地段，設(shè)計(jì)者一般通過增加橋涵孔數(shù)并壓縮橋涵孔徑來滿足泄洪要求，但多孔拱橋(涵洞)水力條件通常較單跨橋梁差。美國(guó)專利4563107公開了一種波紋板拱殼-翼梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，試圖通過在拱殼頂部布設(shè)翼板梁擴(kuò)散行車荷載應(yīng)力，防止鋼板拱殼失穩(wěn)。但是，由于普通砂石材料填筑的路堤下部地基承受的荷載遠(yuǎn)高于拱殼底部地基承受荷載，嚴(yán)重的路-橋差異沉降常常導(dǎo)致翼板與其下方的填土脫離，進(jìn)而出現(xiàn)翼板脫空和折斷病害，使用效果并不理想。
[0009]圬工拱橋主拱圈是曲線型，一般情況下車輛無法直接在弧面上行駛，所以在行車道系與主拱圈之間需要有傳遞荷載的填充物。為了降低成本而就地取材，通常采用礫石、碎石、粗沙或卵石夾黏土并加以夯實(shí)；當(dāng)填料不易取材時(shí)，往往改用砌筑式拱上建筑，通常采用干砌圬工或澆筑素混凝土作為拱上填料。上述傳統(tǒng)拱上填料表觀密度一般為1800?2450kg/m3，拱圈內(nèi)力較大，不利于結(jié)構(gòu)的受力。如果采用透水性欠佳的黏性土填料，水滲入后拱上填料自重增加，降低拱橋的承載車輛荷載的能力;含水量增大后產(chǎn)生的膨脹壓力常常導(dǎo)致側(cè)墻及路面開裂;而滲水流至主拱圈，導(dǎo)致裂縫處鋼筋銹蝕，削弱鋼筋截面面積;鋼筋銹蝕后膨脹，引起混凝土剝落，嚴(yán)重影響拱橋的承載能力及使用耐久性。申請(qǐng)?zhí)枮?01210105040.3的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種使用輕質(zhì)混凝土作為拱上填料的圬工拱橋。輕質(zhì)混凝土填料層的材料采用無砂大孔混凝土、粉煤灰陶?；炷痢⒄惩撂樟；炷?、頁巖陶?；炷痢⒏∈蚧鹕皆炷?、自燃煤矸石混凝土和膨脹礦渣珠混凝土中的一種或多種。表觀密度為800?1950kg/m3。申請(qǐng)?zhí)枮?01210140016.3的中國(guó)發(fā)明專利公開了一種EPS輕質(zhì)混凝土加固拱橋的方法，容重約為12kN/m3，抗壓強(qiáng)度約為1.7MPa。上述專利涉及的輕質(zhì)混凝土采用的輕質(zhì)骨料或廢舊EPS材料，由于材料來源問題，運(yùn)距較遠(yuǎn)，難以在交通不發(fā)達(dá)的偏遠(yuǎn)地區(qū)新建公路和鐵路工程中推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)。該拱橋結(jié)構(gòu)具有自重輕、跨越能力強(qiáng)、適應(yīng)變形能力強(qiáng)和承載能力高等特點(diǎn)，有效解決了拱圈頂部及兩側(cè)傳統(tǒng)回填材料無法壓實(shí)的難題和橋頭跳車的難題。
[0011]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明拱橋結(jié)構(gòu)采用的技術(shù)方案是:采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)、右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)、設(shè)置在左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)和右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)之間的拱圈以及填充在所述拱圈上方和兩側(cè)的泡沫混凝土填充體，所述拱圈包括混凝土拱板和由波紋鋼板制成的鋼板拱殼，所述鋼板拱殼和混凝土拱板錨固連接，所述橋面鋪裝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在所述泡沫混凝土填充體上。
[0012]上述的采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述鋼板拱殼和混凝土拱板均為圓弧形，所述鋼板拱殼的左端和混凝土拱板的左端均固定在所述左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，所述鋼板拱殼的右端和混凝土拱板的右端均固定在右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，所述拱圈的拱頂位置設(shè)置有用于穿過泡沫混凝土填充體并與所述橋面鋪裝結(jié)構(gòu)相連接的垂直鋼筋，所述泡沫混凝土填充體內(nèi)設(shè)置有用于與所述橋面鋪裝結(jié)構(gòu)相連接的垂直鋼筋
Μ?ι O
[0013]上述的采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述鋼板拱殼的數(shù)量為兩個(gè)，兩個(gè)所述鋼板拱殼通過螺桿連接，所述混凝土拱板位于兩個(gè)所述鋼板拱殼之間，所述混凝土拱板采用自密實(shí)混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成。
[0014]上述的采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)和右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)均為板式基礎(chǔ)，所述左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)的下方設(shè)置有左側(cè)泡沫混凝土基礎(chǔ)，所述右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)的下方設(shè)置有右側(cè)泡沫混凝土基礎(chǔ)。
[0015]上述的采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述鋼板拱殼為橢圓形，所述混凝土拱板為圓弧形，所述混凝土拱板的左端與左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)固定連接，所述混凝土拱板的右端與右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)固定連接。
[0016]上述的采用泡沫混凝土和波紋鋼板的拱橋結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述左側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)和右側(cè)鋼筋混凝土基礎(chǔ)之間設(shè)置有由波紋鋼板制成圓弧形拱殼，所述混凝土拱板設(shè)置在圓弧形拱殼和鋼板拱殼之間，所述拱圈兩側(cè)的泡沫混凝土填充體伸入路基的長(zhǎng)度由上向下逐漸增大。
[0017]上