1、概述
2005年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量占全世界三分之一，達(dá)到3.5億噸，2007年，我國(guó)鋼產(chǎn)量突破4億噸。鋼產(chǎn)量的增長(zhǎng)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，為發(fā)展我國(guó)建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造了極好的時(shí)機(jī)。波紋鋼板橋涵結(jié)構(gòu)作為彌補(bǔ)目前普遍使用的
混凝土結(jié)構(gòu)缺陷的替代產(chǎn)品，是將4.0mm~8.0mm厚度的板材通過波紋成型增加其強(qiáng)度并通過組裝施工的新型結(jié)構(gòu)物。波紋鋼板是一種典型的空間鋼結(jié)構(gòu)，不僅具有適應(yīng)地基與基礎(chǔ)變形的能力，可以解決因地基基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的橋涵破壞問題。而且波紋鋼板由于軸向波紋的存在，使其具有優(yōu)良的受力特征，軸向和徑向同時(shí)分布因荷載引起的應(yīng)力應(yīng)變，可以更大程度上分散荷載的應(yīng)力集中。并且造價(jià)低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工工期短、減少工后養(yǎng)護(hù)成本、用材少、有利于環(huán)保。尤其在多年凍土、軟土、膨脹土、濕陷性黃土等不良工程巖土地區(qū)，利用波紋鋼板結(jié)構(gòu)修筑橋涵更具有優(yōu)勢(shì)。因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
波紋鋼板結(jié)構(gòu)的應(yīng)用已有近百年歷史，起源于1896年美國(guó)一家發(fā)明專利公司。自十九世紀(jì)末起，美國(guó)、加拿大、英國(guó)、日本等國(guó)家就開始研制、開發(fā)和應(yīng)用波紋鋼板橋涵，并制定了專門的設(shè)計(jì)、制造、施工安裝手冊(cè)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。日本在1980年的《日本高等級(jí)公路設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)波紋鋼板橋涵有較為詳細(xì)的論述。韓國(guó)在2002年發(fā)行了《波紋鋼板結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)及施工指南》。加拿大于2002年發(fā)布并于2007年更新了《HandbookofSteelDrainage&HighwayConstruction》，對(duì)波紋鋼板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工等方面作了較為詳細(xì)的規(guī)定。
2、波紋鋼板的優(yōu)點(diǎn)
相對(duì)
其它材料，波紋鋼板具有明顯的優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在強(qiáng)重比，抗破壞性，耐火性，耐腐蝕性，安裝便利性，無需養(yǎng)護(hù)，對(duì)各種環(huán)境的適應(yīng)性。運(yùn)用多層復(fù)合板技術(shù)，波紋鋼管可以廣泛地使用在各種尺寸與形狀的結(jié)構(gòu)物中。在工廠中，特定的波紋鋼被加工成結(jié)構(gòu)板，再經(jīng)過成形與鍍漆。便利的整捆分發(fā)方式，鋼板很容易被聯(lián)接成一個(gè)整管，
拱橋，橫向橢圓與管涵。
（1） 耐久性：通過采用適當(dāng)?shù)姆栏胧?，波紋鋼板具有很長(zhǎng)的使用年限。
?。?） 施工便捷性，工期短：可將多張鋼板疊放，即使是在狹小的施工現(xiàn)場(chǎng)，將施工空間最小化進(jìn)行保管及運(yùn)輸，組裝方便，施工速度快，質(zhì)量好控制，不需要無需高級(jí)專業(yè)技術(shù)施工人員，甚至無需大型機(jī)械設(shè)備。與混凝土結(jié)構(gòu)相比較，工期平均可縮短40%。
?。?） 環(huán)境親和性：減少天然骨料的使用，拆除時(shí)的鋼材100%可重新利用；工程影響范圍小，是柔性結(jié)構(gòu)物，適用于軟土、膨脹土地、濕陷性土地等地基承載力較低地區(qū)。壁面施工賦予出入口兩端秀麗的外觀，給人寬闊的開放感。減少對(duì)周邊環(huán)境的破壞，節(jié)約修復(fù)費(fèi)用，鋼材的重新回收利用，不產(chǎn)生建設(shè)廢棄物。
?。?） 卓越的經(jīng)濟(jì)性：與混凝土結(jié)構(gòu)相比較其低廉的工程費(fèi)用可有效降低客戶及施工方的預(yù)算。簡(jiǎn)便的施工方式可顯著縮短施工工期，進(jìn)而可使整個(gè)工程早期竣工并能節(jié)約養(yǎng)護(hù)及維修費(fèi)用及減少因施工而引發(fā)的民怨。與混凝土結(jié)構(gòu)相比較竣工后其開放感非常突出，由于降低天然骨料的使用，拆除時(shí)不產(chǎn)生建設(shè)廢棄物可100%重新回收利用。
3、波紋鋼板橋涵的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
波紋鋼板橋涵的設(shè)計(jì)過程就是通過公路路線總體設(shè)計(jì)要求及現(xiàn)場(chǎng)勘察確定涵洞的布設(shè)地點(diǎn)，根據(jù)凈空要求或水力計(jì)算確定跨徑（孔徑），交角，出入口型式，再通過計(jì)算作用于波紋鋼板荷載，確定出允許壓應(yīng)力，然后選擇能滿足此要求的涵洞的參數(shù)，參數(shù)包括波長(zhǎng)、波高、板厚等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素可歸納為以下幾點(diǎn)：
?。?） 根據(jù)凈空或水文學(xué)、水力學(xué)和其他服務(wù)要求，確定出涵洞的結(jié)構(gòu)、大小、形狀、線形和坡度；
?。?） 結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能足夠滿足路堤和活載產(chǎn)生的壓力，同時(shí)能抵制水流的沖刷；
?。?） 選擇合適的材料，使涵洞避免大的磨耗和腐蝕；
?。?） 初期的材料和安裝、維護(hù)費(fèi)用，以及每年的附加費(fèi)用。
波紋鋼板橋涵的截面形狀有十種之多，如圓形、橢圓形（橫、豎）、梨形、拱形（一般拱、管拱、高拱、低拱）、箱型等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求可選用合適形狀滿足各種跨徑及凈空需求，有特殊形狀要求也可工廠定制。
梨形 管拱形 高拱形 箱型
圖1波紋鋼板橋涵的截面形狀
波紋鋼板橋涵出入口型式大致分為：平面型、傾斜型、突出型、簸箕型以及混合型。
平面型 傾斜型 突出型
圖2波紋鋼板橋涵出入口型式
波紋鋼板橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包含波紋板材和連接件材料選擇，并根據(jù)波形板厚等作總體結(jié)構(gòu)計(jì)算、連接計(jì)算等。其主要受到填土、地面上車輛輪壓力和車輛動(dòng)荷載沖擊力，以及經(jīng)過涵管液體產(chǎn)生的內(nèi)壓力作用?？紤]填土對(duì)動(dòng)荷載的減弱作用，可不考慮動(dòng)荷載對(duì)波紋鋼板橋涵的影響。由于波紋鋼板橋涵結(jié)構(gòu)需考慮與土的共同作用，受力較為復(fù)雜，一般用Ansys等大型有限元軟件進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析和穩(wěn)定分析?！禜andbookofSteelDrainage&HighwayConstruction》中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程分9個(gè)步驟：1、確定最小容許覆土厚；2、選擇回填壓實(shí)度要求；3、計(jì)算設(shè)計(jì)承載力；4、計(jì)算板壁環(huán)壓力；5、計(jì)算允許壓應(yīng)力；6、擬定板厚；7、檢查最低處理剛度；8、驗(yàn)算接縫強(qiáng)度；9、拱的穩(wěn)定性驗(yàn)算。
公路橋涵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年，因此波紋鋼板橋涵的防滲、防腐不容忽視。在波紋板的搭接處采用防水密封材料，以確保拼縫搭接緊密不泌，防腐材料可根據(jù)結(jié)構(gòu)所處地理位置的環(huán)境等級(jí)選用鍍鋅涂層、鍍鋁涂層等，在防腐條件惡劣的環(huán)境中選擇性的添加非金屬（聚合物）涂層，或在
波紋管外側(cè)金屬涂層外加涂瀝青等。
4、波紋鋼板橋涵的施工要點(diǎn)
波紋鋼板橋涵按截面可劃分為拱型截面與管（涵）型截面，拱需安置在混凝土基礎(chǔ)上（地基承載力高時(shí)也可在拱端加平板直接放置在地基上），管直接放置在墊層上。
拱的的施工工序?yàn)椋菏┕し艠?rarr;挖地基及混凝土模板→安裝基礎(chǔ)溝道→基礎(chǔ)混凝土施工→鋼板組裝及安裝→面壁施工→回填掩埋→夯實(shí)→完工。
管（涵）的施工工序?yàn)椋菏┕し艠?rarr;基坑開挖→墊層填筑→管身安裝→涵背回填→洞口鋪砌及護(hù)坡防護(hù)→完工。
波紋鋼板結(jié)構(gòu)物是通過鋼板與周邊地形相互作用發(fā)揮其結(jié)構(gòu)性能。因此結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)施工及回填掩埋的材料選定和施工上應(yīng)格外注意?；A(chǔ)地基應(yīng)能夠承受包括結(jié)構(gòu)物及回填掩埋材料在內(nèi)的上部荷重，不能誘發(fā)過度的地面沉降。因此施工現(xiàn)場(chǎng)無法滿足上述條件時(shí)應(yīng)置換或改良使用優(yōu)質(zhì)的掩埋材料或予以加固。需將基礎(chǔ)地基進(jìn)行挖掘后安裝結(jié)構(gòu)物時(shí)，挖掘?qū)挾纫冉Y(jié)構(gòu)物寬度寬3.0m以上。如果河床表面地表為巖石層的情況下，使用優(yōu)質(zhì)的碎石和沙子鋪設(shè)架高30cm以上。
回填掩埋應(yīng)采用壓縮性小的材料或粒度均勻的材料，予以均勻夯實(shí)使之結(jié)構(gòu)物周圍產(chǎn)生均等的土壓，因此基礎(chǔ)地基及回填掩埋施工中應(yīng)使用同一材料或?qū)⑾喾碌牟牧匣旌鲜褂谩Ｌ钪r(shí)應(yīng)分層填筑、分層壓實(shí)，松鋪厚度為20~30cm，涵背兩側(cè)的部位回填采用級(jí)配良好的天然砂礫。在管身最大直徑兩側(cè)50cm外使用18T
壓路機(jī)碾壓，50cm范圍內(nèi)使用小型夯實(shí)機(jī)械夯實(shí)，以避免壓路機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備對(duì)管涵的撞擊。
除箱型外的所有截面 并列施工時(shí)（除箱型外） 箱型截面
圖3結(jié)構(gòu)回填掩埋范圍（圖中S為結(jié)構(gòu)物跨幅，dc為最小覆土厚）
5、結(jié)論
相對(duì)于圬工和鋼筋混凝土橋涵，波紋鋼板橋涵的應(yīng)用,一方面節(jié)約了大量的石材、水泥，有利于環(huán)保；另一方面建設(shè)工期可以大幅度縮短,不僅加快了建設(shè)步伐，還充分體現(xiàn)了建設(shè)工期縮短使相對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加的經(jīng)濟(jì)效益，特別是在工期短的地區(qū)，如寒冷地區(qū)一年中施工期僅5至6個(gè)月。因此，應(yīng)用波紋鋼板橋涵更具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在搶險(xiǎn)、保通工程中,應(yīng)用波紋鋼板橋涵更能體現(xiàn)其明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，因此該新型結(jié)構(gòu)值得在國(guó)內(nèi)公路和市政工程上進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。
