[发明专利]一种基于最优受力状态的波纹钢板拱桥横断面设计方法

说明书

本发明公开了一种基于最优受力状态的波纹钢板拱桥横断面设计方法，该设计方法包括以下步骤：根据波纹钢板拱桥的使用需求初步确定波纹钢板拱桥的矢高f；根据波纹钢板拱桥的矢高f、上覆土力学性能参数以及上覆土厚度计算出波纹钢板拱桥的跨度l；根据计算获得的波纹钢板拱桥的跨度l和矢高f判断其是否满足使用需求，如此往复，直至波纹钢板拱桥的跨度l和矢高f满足使用需求为止；之后计算出波纹钢板拱桥的横断面轴线。本发明的优点是：相比传统的波纹钢板拱桥而言，在基本不增加工程造价的情况下，最大限度地减小波纹钢板的弯矩，也最大限度地减小了波纹钢板拱桥基础的水平推力，从而减小波纹钢板拱桥的变形，也可以减小波纹钢板拱桥的用钢量。

技术领域

本发明属于桥梁技术领域，具体涉及一种基于最优受力状态的波纹钢板拱桥横断面设计方法。

背景技术

传统拱桥（在此指钢筋混凝土拱桥、石拱桥等）的拱轴线通常采用悬链线或抛物线，然而，波纹钢板拱桥所承受的荷载模式明显与传统的拱桥不同，即拱顶上承受竖向土压力与水平土压力，因此，其横断面拱轴线设计方法不可参考传统拱桥的拱轴线设计方法。此外，传统拱桥为了减小结构所承受的荷载，上部不再进行填土，因此拱圈上一般只有竖向荷载；为了减小拱圈上的弯矩，拱脚必须提供水平约束力。而波纹钢板拱桥上部进行了填土，因土体产生侧土压力而导致波纹钢板桥的拱圈上具有水平荷载，且上部交通荷载传递到波纹钢板拱圈上时，具有一定的扩散效应，因此，波纹钢板拱桥上的交通荷载与传统拱桥受到的荷载不同，即交通荷载一般可以近似地考虑为地表均布荷载。由此可见，波纹钢板拱桥与传统的拱桥的受力特点明显不同。

波纹钢板拱桥缺乏设计理论与方法，导致波纹钢板拱桥在使用过程中易发生变形而导致其推广应用受限。波纹钢板拱桥截面抗弯刚度小，主要借助竖向土压力与水平土压力的共同作用来减小截面弯矩。波纹钢板拱桥是利用波纹钢板组装成拱后在上部进行填土所形成的公路桥或铁路桥。从现有调研来看，波纹钢板拱桥在国内外公路中有了一定的应用，而在铁路中很少应用。相比传统的钢筋混凝土梁桥、圬工拱桥、石拱桥等而言，波纹钢板拱桥具有造价低、工厂标准化制做、方便运输、施工效率高、养护维修方便等优点；相比其他形式的钢结构梁桥而言，波纹钢板拱桥用钢量要少得多，且组装效率高；同时，由于波纹的存在，波纹钢板相比同等用钢量的钢板（厚度比波纹钢板的厚度要大）的抗弯刚度要大很多。由此可见，波纹钢板拱桥应用的经济效益明显，值得推广应用。

但是，尽管波纹的存在，波纹钢板拱桥的截面抗弯刚度比钢筋混凝土梁桥的截面抗弯刚度要小得多，因此，截面在弯矩作用下易发生变形，这也是波纹钢板无法作为直梁而直接在上部进行填土或行车的原因。此外，当波纹钢板拱桥的拱脚存在水平推力时，易导致拱脚基础发生水平位移，而拱脚基础发生水平位移导致拱脚水平约束力的减小，由此加大了截面弯矩，也加大了拱桥的竖向沉降，对拱桥结构的整体受力、以及上部填土与路面的稳定性均极为不利。正因为如此，现有的波纹钢板拱桥的跨度非常有限，且大量推广应用受限，尤其是上部平顺性要求高的铁路工程中应用需要非常谨慎。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于最优受力状态的波纹钢板拱桥横断面设计方法，该设计方法根据波纹钢板拱桥的上覆土厚度以及填土的力学性能从而确定波纹钢板拱桥的横断面轴线，使波纹钢板拱桥的横断面理论弯矩为零，同时使波纹钢板拱桥的拱脚理论水平推力为零，从而最大限度地减小了波纹钢板拱桥的横断面变形。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于最优受力状态的波纹钢板拱桥横断面设计方法，所述最优受力状态是指所述波纹钢板拱桥横断面理论上的弯矩为零，且所述波纹钢板拱桥拱脚位置的水平推力也为零，其特征在于在所述最优受力状态下，所述设计方法包括以下步骤：