一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片及其桥涵安装方法

摘要

一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片及其桥涵安装方法，涉及一种波纹钢板片。解决了现有的波纹钢板桥涵板片及其安装方法整体受力性能不合理、连接螺栓承受剪力大、可靠性低的问题。用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片包括波纹钢板片主体(1)及其垂直焊接在两个宽边上的两片端部钢连接板(2-1、2-2)。裁剪与第一、第二拱台(D-1、D-2)连接的第一排波纹钢板片长边及每排端部的波纹钢板片的宽边。从第一、二拱台的第一端头至第二端头依次安装用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，在第一排的上方依次安装第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，两排之间通过螺栓和螺母连接，在第二排上搭接第三排直至合龙。该拱桥涵具有高的可靠性与施工便捷性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种波纹钢板桥涵的波纹钢板片及其桥涵安装方法。更具体的 讲，本发明涉及一种波纹钢板片构造形式，并采用一种波纹钢板拱桥涵安装方 法来保证和提高波纹钢板拱桥涵的便捷性和可靠性。

背景技术

波纹钢板拱桥涵是采用波纹钢板为主要承载构件的结构，利用波纹钢板与 路基填料形成拱形结构，共同承受外部荷载。它具有较强的抗震能力，能够适 应高寒气候的沉降变形，可应用于各种填土高度的路基。与钢筋混凝土、圬工 砌体相比较，具有施工方便、工期短、造价低、利于环保、造型简洁明快、景 观效果好等优点，应用发展前景广阔。

目前，波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的拼装都采用了各边交错搭接后通过 螺栓锚固连接的安装方法。这种传统波纹钢板片安装方法存在的问题是：

1)相邻波纹钢板片在受力方向上不能保持同轴线，整体受力性能不合理；

2)波纹钢板片的连接螺栓承受很大的剪力；

3)桥涵波纹钢板片的长边与宽边均需用螺栓螺母连接，工程量大，板片拼 装质量难以保证；

4)对于复杂结构线形难以满足拼装精度要求；

5)在波纹钢板片角部通常出现多层(大于2层)交叠，连接难度加大；

6)螺栓设置在波峰或波谷处，不能保证与板接触面的平直，锚固可靠性低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的波纹钢板桥涵板片及其桥涵安装方法 整体受力性能不合理、连接螺栓承受剪力大、拼装复杂且难以保证质量、难以 满足拼装精度要求、波纹钢板片多层交叠、锚固可靠性低。

本发明解决其技术问题的技术方案：

一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板 片包括波纹钢板片主体、两片端部钢连接板。

两片端部钢连接板为形状尺寸均相同的矩形钢板，矩形宽度大于波纹钢板 片主体的波高，两片端部钢连接板上均设置两排共n个通孔。

在波纹钢板片主体的两条宽边的中部分别垂直焊接一片端部钢连接板，波 纹钢板片主体的宽l₂长出端部钢连接板的长l₃的两头各半个波长l₄。

使用用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片安装桥涵的方法，该安装方法包括 以下步骤：

步骤一计算搭建波纹钢板拱桥涵的使用的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片的排数N：

N＝l₀/l₁

式中l₀——为波纹钢板拱桥涵的拱圈的弧长；

l₁——为一片用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的长度；

计算每排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的数量M：

M＝L/l₃

式中L——为拱台的长度；

l₃——为端部钢连接板的长度；

步骤二与第一、第二拱台直接连接的两个第一排用于波纹钢板拱桥涵的波 纹钢板片的长边裁剪方法为：

若计算得出的N的小数部分n₀≥0.6时，则需要将用于波纹钢板拱桥涵的波 纹钢板片沿着垂直于长边方向裁剪成n₀l₁/2；若计算得出的N的小数部分n₀＜0.6 时，则需要将用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片沿着垂直于长边方向裁剪成 (1+n₀)l₁/2；

用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的宽边的裁剪方法为：

第一拱台的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的取一片沿着垂直于 宽边方向裁剪成m₀l₃；

若计算得出的M的小数部分m₀≥0.5时，第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹 钢板片中取两片分别沿着垂直于宽边方向裁剪成l₂/2与(m₀-0.5+l₄)；若计算得 出的M的小数部分m₀＜0.5时，第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片中取两 片分别沿着垂直于宽边方向裁剪成l₂/2与(m₀+0.5+l₄)；

交替重复第一拱台的第一、第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片宽边 方向的裁剪方法，裁剪剩余每排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，直至第二 拱台的第一排；

步骤三在第一、第二拱台上各自安装第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片：

从第一拱台的第一端头依次排列安装宽边未裁剪且长边方向裁剪成n₀l₁/2 的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，相邻的两片用于波纹钢板拱桥涵 的波纹钢板片之间叠合一个波长，并在用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片之间 的叠合缝处设置橡胶薄板，最后安装宽边方向裁剪成m₀l₃的用于波纹钢板拱桥涵 的波纹钢板片，第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的裁剪切口向下并通 过支座的连接安装拱台上；

使用波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片制作的桥涵的自然排数N1：

当N的小数部分n₀≥0.6时，N1＝[N]；当N的小数部分n₀＜0.6时，N1＝[N]-1；

当自然排数N1为奇数时，第二拱台的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片的排列安装方法与第一拱台的第一排相同；

当自然排数N1为偶数时，在第二拱台的第一端头安装裁剪成l₂/2的半片用 于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，紧接着排列安装整片的用于波纹钢板拱桥涵 的波纹钢板片，相邻的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片之间叠合一个波长， 最后排列安装裁剪成(m₀-0.5+l₄)或(m₀+0.5+l₄)的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片，使整排补齐到拱台的长度L；

在第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片有端部钢连接板的一端铺设橡 胶垫板；

步骤四在第一拱台的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片上方通过 螺栓螺母排列安装第二排的方法：

在第一拱台上的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的第一端头排列 安装第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片中的裁剪成l₂/2的半片，然后排列 安装整片的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，相邻的波纹钢板片之间叠合一 个波长，最后排列安装裁剪成(m₀-0.5+l₄)或(m₀+0.5+l₄)的用于波纹钢板拱桥涵 的波纹钢板片，使整排补齐到拱台的长度L，

第二拱台的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片上方排列安装第二 排，与第一拱台上的第一排与第二排的方法相同；

步骤五第一、第二拱台的第三排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的由第 一端头至第二端头的排列安装方法与第一排相同，通过螺栓与螺母固定安装在 第二排上；

步骤六依次安装第一、第二拱台的第四排、第五排、第六排......，直至拱 顶合龙。

所述的一片端部钢连接板使用的螺栓个数n的取值要求应满足：

所述的一片端部钢连接板使用的螺栓个数n的取值要求应满足：

用ANSYS建立二维有限元模型，筛选拱圈上受到的最大剪力的截面与最大 的剪力值，n个螺栓的总抗剪强度≥波纹钢板拱桥拱圈上的截面最大剪力值，即：

$n\ge \frac{F_s}{\pi R^2{f}_V^b}$

式中F_s——为波纹钢板拱桥拱圈上的截面最大剪力值；

——为一个螺栓的抗剪强度设计值，R为一个螺栓的半径。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：

本发明采用在波纹钢板片主体的两条宽边的中部分别垂直焊接一片端部钢 连接板，通过钢连接板上的螺栓螺母轴向固定板片的方式，实现板片的轴向对 接，整体受力性能合理。

这种连接方式保证了相邻板片的传力途径在同一轴线上，避免连接螺栓受 到很大的剪力作用。

相邻板片采用搭接的形式，有效减小了工程量，保证了板片的拼装质量。

对于复杂桥涵结构的线形也能满足拼装精度要求。

板片之间连接构造简单，除板片宽边方向连接通过相互叠合半个波长来实 现外，无波纹钢板叠合。

螺栓设置在端部钢连接板上，提高了可靠性。

附图说明

图1一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片立体示意图。

图2一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片安装成桥整体示意图。

图3ANSYS二维有限元模型建立示意图。

图4实施方式二中一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片安装成桥示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明。

实施方式一

一种用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，如图1所示，用于波纹钢板拱桥 涵的波纹钢板片包括波纹钢板片主体1、两片端部钢连接板2-1、2-2。

两片端部钢连接板2-1、2-2为形状尺寸均相同的矩形钢板，矩形宽度大于 波纹钢板片主体1的波高，两片端部钢连接板2-1、2-2上均设置两排共n个通孔。

在波纹钢板片主体1的两条宽边的中部分别垂直焊接一片端部钢连接板， 波纹钢板片主体1的宽l₂长出端部钢连接板的长l₃的两头各半个波长l₄。

使用用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片安装桥涵的方法，该安装方法包括 以下步骤：

步骤一计算搭建波纹钢板拱桥涵的使用的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片的排数N：

N＝l₀/l₁

式中l₀——为波纹钢板拱桥涵的拱圈的弧长；

l₁——为一片用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的长度；

计算每排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的数量M：

M＝L/l₃

式中L——为拱台的长度；

l₃——为端部钢连接板的长度；

步骤二与第一、第二拱台D-1、D-2直接连接的两个第一排用于波纹钢板 拱桥涵的波纹钢板片的长边裁剪方法为：

若计算得出的N的小数部分n₀≥0.6时，则需要将用于波纹钢板拱桥涵的波 纹钢板片沿着垂直于长边方向裁剪成n₀l₁/2；若计算得出的N的小数部分n₀＜0.6 时，则需要将用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片沿着垂直于长边方向裁剪成 (1+n₀)l₁/2；

用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的宽边的裁剪方法为：

第一拱台D-1的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的取一片沿着垂 直于宽边方向裁剪成m₀l₃；

若计算得出的M的小数部分m₀≥0.5时，第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹 钢板片中取两片分别沿着垂直于宽边方向裁剪成l₂/2与(m₀-0.5+l₄)；若计算得 出的M的小数部分m₀＜0.5时，第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片中取两 片分别沿着垂直于宽边方向裁剪成l₂/2与(m₀+0.5+l₄)；

交替重复第一拱台D-1的第一、第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片 宽边方向的裁剪方法，裁剪剩余每排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，直至 第二拱台D-2的第一排；

步骤三在第一、第二拱台D-1、D-2上各自安装第一排用于波纹钢板拱桥 涵的波纹钢板片：

从第一拱台D-1的第一端头P1依次排列安装宽边未裁剪且长边方向裁剪成 n₀l₁/2的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，相邻的两片用于波纹钢板拱 桥涵的波纹钢板片之间叠合一个波长，并在用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片 之间的叠合缝处设置橡胶薄板，最后安装宽边方向裁剪成m₀l₃的用于波纹钢板拱 桥涵的波纹钢板片，第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的裁剪切口向下 并通过支座的连接安装拱台上；

使用波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片制作的桥涵的自然排数N1：

当N的小数部分n₀≥0.6时，N1＝[N]；当N的小数部分n₀＜0.6时，N1＝[N]-1；

当自然排数N1为奇数时，第二拱台D-2的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波 纹钢板片的排列安装方法与第一拱台D-1的第一排相同；

当自然排数N1为偶数时，在第二拱台D-2的第一端头P3安装裁剪成l₂/2的 半片用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，紧接着排列安装整片的用于波纹钢板 拱桥涵的波纹钢板片，相邻的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片之间叠合一个 波长，最后排列安装裁剪成(m₀-0.5+l₄)或(m₀+0.5+l₄)的用于波纹钢板拱桥涵的 波纹钢板片，使整排补齐到拱台的长度L；

在第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片有端部钢连接板的一端铺设橡 胶垫板；

步骤四在第一拱台D-1的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片上方通 过螺栓螺母排列安装第二排的方法：

在第一拱台上D-1的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的第一端头 P1排列安装第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片中的裁剪成l₂/2的半片， 然后排列安装整片的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，相邻的波纹钢板片之 间叠合一个波长，最后排列安装裁剪成(m₀-0.5+l₄)或(m₀+0.5+l₄)的用于波纹钢 板拱桥涵的波纹钢板片，使整排补齐到拱台的长度L，

第二拱台D-2的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片上方排列安装第 二排，与第一拱台上D-1的第一排与第二排的方法相同；

步骤五第一、第二拱台D-1、D-2的第三排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片的由第一端头P1、P3至第二端头P2、P4的排列安装方法与第一排相同， 通过螺栓与螺母固定安装在第二排上；

步骤六依次安装第一、第二拱台D-1、D-2的第四排、第五排、第六排......， 直至拱顶合龙，如图2所示。

所述的一片端部钢连接板使用的螺栓个数n的取值要求应满足：

用ANSYS建立二维有限元模型，如图3所示：

结构信息：覆土厚为1.7m，拱圈为136度圆弧线，钢板采用400mm×180mm 波形，厚度为7mm。

计算准则：未采用等效板厚计算，土体用DP准则进行非线性分析，路面厚 度取40cm，活载为两轴140kN，间距1.4m。

梁单元参数：截面面积10.042mm²/mm，截面惯性矩为39568mm⁴/mm，波高为 180mm，钢材弹性模量取2.06×10⁵MPa，土的弹性模量取35MPa，路面层得弹性 模量取300MPa，土的内聚力为6.895×10^-6，内摩擦角为30°，活载值取115.972 ×10^-3N，节点力为27.06N。

单元及材料的定义：钢板采用梁单元BEAM3，泊松比为0.3，密度为7.85 ×10^-6kg/mm³；土采用82单元PLANE42，泊松比为0.25，密度为1.9×10^-6kg/mm³， 路面泊松比为0.3，密度为2.5×10^-6kg/mm³。

建立几何模型：圆弧拱脚坐标(-3709，0)、(3709，0)，拱顶坐标(0，2500)。

将圆弧拱圈划分为34个直线单元，进行求解分析，得出拱圈最大截面剪力 为4.272N。

取波纹钢板片的端部钢连接板的长度l＝1.5m，最大剪力 F_s＝4.272N×1500＝6408N，选取C级普通螺栓，其抗剪强度螺栓 半径R＝10mm，则当n值小于4时，都取为4；当 n值大于4时，可取为[n]。故此处n取为4。

若模型的各项条件指标不同，采用的钢材和土的材料性能不同，采用的螺 栓半径和抗剪强度等级不同均按照以上方法进行计算。

实施方式二

工程案例中，l₀＝15m，L＝6m，l₁＝2m，l₂＝1.7m，l₃＝1.5m，l₄＝0.1m。

步骤一计算搭建波纹钢板拱桥涵的使用的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片的排数N：

N＝15/2＝7.5m

计算每排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的数量M：

M＝6/1.5＝4m

步骤二与第一、第二拱台D-1、D-2直接连接的两个第一排用于波纹钢板 拱桥涵的波纹钢板片的长边裁剪方法为：

因计算得出的N的小数部分n₀＜0.6，则将用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片 沿着垂直于长边方向裁剪成1.5m；

用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的宽边的裁剪方法为：

第一拱台D-1的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片不需要裁剪；

因计算得出的M的小数部分m₀＜0.5时，第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹 钢板片中取两片分别沿着垂直于宽边方向裁剪成0.85m与0.85m；

交替重复第一拱台D-1的第一、第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片 宽边方向的裁剪方法，裁剪剩余每排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，直至 第二拱台D-2的第一排；

步骤三在第一、第二拱台D-1、D-2上各自安装第一排用于波纹钢板拱桥 涵的波纹钢板片：

从第一拱台D-1的第一端头P1依次排列安装宽边未裁剪且长边方向裁剪成 1.5m的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，相邻的两片用于波纹钢板拱 桥涵的波纹钢板片之间叠合一个波长，并在用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片 之间的叠合缝处设置橡胶薄板，第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的裁 剪切口向下并通过支座的连接安装拱台上；

使用波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片制作的桥涵的自然排数N1：

N1＝8

在第二拱台D-2的第一端头P3安装裁剪成0.85m的半片用于波纹钢板拱桥 涵的波纹钢板片，紧接着排列安装整片的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片， 相邻的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片之间叠合一个波长，最后排列安装裁 剪成0.85m的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，使整排补齐到拱台的长度6m；

在第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片有端部钢连接板的一端铺设橡 胶垫板；

步骤四在第一拱台D-1的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片上方通 过螺栓螺母排列安装第二排的方法：

在第一拱台上D-1的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片的第一端头 P1排列安装第二排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片中的裁剪成0.85m的半 片，然后排列安装整片的用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片，相邻的波纹钢板 片之间叠合一个波长，最后排列安装裁剪成0.85m的用于波纹钢板拱桥涵的波 纹钢板片，使整排补齐到拱台的长度6m；

第二拱台D-2的第一排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢板片上方排列安装第 二排，与第一拱台上D-1的第一排与第二排的方法相同；

步骤五第一、第二拱台D-1、D-2的第三排用于波纹钢板拱桥涵的波纹钢 板片的由第一端头P1、P3至第二端头P2、P4的排列安装方法与第一排相同， 通过螺栓与螺母固定安装在第二排上；

步骤六依次安装第一、第二拱台D-1、D-2的第四排、第五排、第六排......， 直至拱顶合龙，如图4所示。