专利名称：金属板拱形结构用的复合金属板包围混凝土的加强件的制作方法
技术领域：
本发明涉及混凝土强化波纹金属板拱形结构，这种拱形结构用于上跨桥、输水管或地下通道，能够在薄的覆盖层下面支承巨大的叠加负载如繁重的车辆交通。尤其是涉及一种可以替代标准的混凝土或钢梁结构的结构。
多年来，波纹金属板被证明是耐久性的、经济性的和通用性的工程材料。用波纹金属板制造的柔性拱形结构在用于公路、铁路、机场、市政工程、区域改造、工业园、防洪和环保工程、水污染治理项目以及许多其它工程项目中的涵洞、雨水通道、地下排水管道、泄水管道、地下通道、运输管道和工作隧道等的建设中发挥着很重要的作用。
对于埋入式波纹金属板拱形结构，主要的设计挑战之一是，相对薄的金属板壳体要在其外周承受较大的负荷如侧向土壤压力、地下水压、上覆盖层压力，以及其它作用在该结构上的动态或静态负荷。这种结构承受周向载荷的能力，除了是周围土壤强度的函数外，还直接同波纹轮廓和金属板壳体的厚度有关。尽管均匀分布的周向载荷如土壤压力和水压力一般在安装好的该结构中不会导致失稳，但该结构对非均匀或局部载荷，如在回填料过程中的非均匀的土壤压力分布或者由车辆交通导致的施加在安装好的该结构上的动态载荷，会更加敏感。在该拱形结构土料回填过程中，非均匀土壤压力分布导致该结构变形或出现载荷峰值，使该结构的最终形状不同于期望的理想形状。另一方面，在该结构上部的动态载荷产生能导致该结构顶部断裂的局部载荷状态。
施加在拱形结构上方的局部垂直载荷如动态车辆载荷会在该结构中产生弯曲应力和轴向应力。因顶部向下变形而导致弯曲应力，从而在该结构的拱顶部分产生正弯矩，并在该结构的斜脊部分产生负弯矩。轴向应力是由沿该拱形结构横截面纤维方向作用的动态载荷的一个分量导致的压缩应力。在埋入式金属拱形结构设计中，在一特定垂直载荷作用下，弯曲应力与轴向应力的比率随上覆盖层的厚度而变化。上覆盖层越厚，则垂直载荷抵达拱形结构时越分散，使该结构承受更小的弯曲应力。因此，在厚的覆盖层下面的拱形结构中的应力主要是轴向应力。
波纹金属板在弯曲作用下比在轴向压缩作用下更易断裂。现有技术的波纹金属拱形结构设计通过增加上覆盖层的厚度来处理由动态载荷产生的弯曲应力，这样可把局部动态载荷分配到上覆盖层整个厚度中和拱形的较大表面上，从而使作用在拱形上的弯曲应力最小化，大部分载荷转化为轴向力。可是，很明显，随上覆盖层厚度的增加，在该结构上的土壤压力增加，于是需要更高强度的金属板。需要厚的上覆盖层，也产生严重的设计局限，如在拱形结构下方围成的空间大小或该结构上方路面引道的角度的限制。在上覆盖层厚度受限制而且较薄的情况下，传统解决动态载荷方法，是在路面下方附近或紧邻处且在浅回填土区域上方布置一个通常由强化混凝土制造的细长的应力缓冲厚板。这个细长厚板作为一个载荷分散装置，使得局部车辆载荷分散在金属拱形表面上的一个较大区域上。应力缓冲厚板的问题在于需要现场制作，这就涉及附加的制作时间和大量的劳动力和原材料的花费。而且，在没有混凝土的区域，这不是一个可行的选择。
曾试图通过使用强化肋板来加强波纹金属拱形结构。在美国专利US No.4,141,666中，在箱形涵洞的外面使用加强件来增加负载承受能力。该发明的问题在于在强化肋板之间的结构的截面与强化肋板位置的截面相比更脆弱。因此，在承受载荷时，沿结构的长度方向存在不同的挠曲度或波荡效应。为减少这种问题，将纵向部件固定在涵洞内侧，特别是沿着拱顶部分和基体部分，以减少波荡。可是，很明显，当该拱形结构用在河床或类似情况时，在该结构内部不应包括任何附件，因为容易被冰流或洪水破坏。
在美国专利US.No.4,318,635中，在涵洞的内侧/外侧使用多个拱形的强化肋板，来强化其侧部、拱顶和中间腰部或斜脊部分。尽管这种间隔分布的强化肋板提高了该结构的抗载荷强度，但不能克服结构的波荡问题并由于多余的加强件而增加该结构不必要的重量。除了上述缺点，在这类结构中的强化肋板经常耗费时间并且安装复杂从而严重影响建造成本。特别是，使用相对较宽间隔的肋板加强件时，对这类结构的结构设计分析变难。强化的不连续性以及由此导致的沿该结构纵向长度方向刚度变化，难于形成该结构截面上的完全塑性位移能力；因此，导致设计过程中不必要的保守和不经济性。
Fisher所拥有的美国专利U.S.3,508,406公开了一种复合拱形结构，该结构具有柔性波纹金属壳体，并在该结构每一侧具有沿纵向延伸的混凝土支墩。特别是认识到在宽跨度拱形结构情况下，混凝土支墩可以和在该结构顶部延伸的附加的加强件相连接。类似地，在同一发明人的美国专利U.S.No.4,390,306中，认识到拱形结构中的加强与载荷分散件固定在拱形结构的拱顶部分，纵向延伸跨过该结构长度的大部分。该专利也提出该复合拱形结构最好包括纵向延伸的、在拱形结构每一侧的载荷分散支墩。顶部的纵向延伸的加强件和支墩可以由混凝土或金属制成，甚至可以由具有沿涵洞长度方向延伸的脊的波纹板型材组成。
在Fisher的专利中，借助拱顶加强件和支墩，提供了沿着该结构的连续强化。设计支墩用来在安装阶段为柔性结构提供稳定性，也就是在该结构完全由回填料掩埋和支撑之前提供稳定性。它们在安装位置提供加强材料构成的纵向件，用来在夯实和使用回填设备时阻止变形，使得回填过程能够进行而不破坏该结构的形状。内部有钢质强化杆的顶部加强件的作用是压住该结构的顶部，防止该结构在回填和夯实的初始阶段产生载荷峰值，还作为载荷分散装置来帮助分散作用在该结构上的垂直载荷，因此减少了需要的最薄上覆盖层。该结构的沿纵向方向的顶部加强件，通过使用剪切销柱将混凝土梁和钢质拱结构连接起来，从而固定拱形结构的顶部，以便在拱形结构顶部提供正弯矩抗力。这种多元加强件适用于减少上覆盖层的拱形结构，但不适合大幅度减少上覆盖层厚度的拱形结构或很大跨度的拱形结构设计。主要原因是Fisher专利中的顶部加强件不是设计用于抵抗负弯矩，而负弯矩一般发生在浅覆盖层拱形结构和宽跨度拱形结构的斜脊部分。在顶部加强件和侧面支墩之间间隔分布的横向件的目的，是为该结构提供一些刚度，以防该结构在回填阶段变形。它们不是设计用来抗负弯矩的部件。而且，尽管安装好的柔性拱形结构在动态载荷作用下在拱顶易于遭受正弯矩，但在回填过程中该结构承受侧压力时，在同一位置承受负弯矩，而且顶部会因出现载荷峰值而变形。在Fisher专利中的加强件设计利用混凝土和钢质件间的剪切固定连接来抵抗拱形结构顶部的正弯矩，在回填过程中，出现在同一位置的负弯矩简单地依靠通过提供在混凝土厚板上部的强化杆来抵抗，该带强化杆的混凝土厚板需要现场制造和放入加强杆，严重影响建造成本。由于顶部加强件和侧面支墩具有大的尺寸，整个结构的重量明显增加。
在Sivachenko的美国专利U.S.No.4,186,541中，公开了用平钢板制造波纹钢板以用于建造金属拱形结构的方法。专门引用了双波纹钢板结构的附加强度优点，其中波纹板沿着相反的波谷直接地或其间有间隔连接起来。注意双波纹板组件可以留下中间空隙，或填满混凝土等类似物。在波纹板之间的混凝土，可以用现有的强化钢杆来进行强化，强化钢杆相对于波纹板的波纹平行或横向地取向。很明显，置于波纹板之间的混凝土没有被强化时，混凝土只是起到填料的作用而不能提高组件的强度特性。即使混凝土具有强化钢杆时，而没设计加入钢杆来进行混凝土和波纹钢板之间的剪切联结，则组件承受弯曲时，混凝土和波纹钢板彼此独立作用。该系统提出了强化波纹金属板结构的方法，即通过运用具有心部填充混凝土的夹层型支撑结构的双波纹板组件来实现。在具有多个弧度的埋入式拱形结构情况下，根据Sivachenko专利安装钢杆是一件很困难的工作。
在美国专利U.S.No.5,326,191中，连续波纹金属板强化件被至少安装到在涵洞纵向长度上连续延伸的涵洞拱顶上，这种涵洞设计克服了现有技术中间隔横向分布的强化件的问题，从而能抵抗正弯矩和负弯矩。可是，在大跨度结构上的连续强化件因成本太高而不可行，并且难于安装。
本发明的混凝土强化波纹金属拱形结构克服了上述一些问题。本发明提供的复合混凝土金属梁，提高了结构抗正弯矩和负弯矩的性能；这些正负弯矩，或者是支承动态重载荷(车辆交通)的浅上覆盖层导致的，或者在拱形结构回填土料过程中导致的而包括在该结构中。本发明的每个由上波纹板和下波纹板相互联结构成的、连续填满混凝土的空腔，将作为复合金属包围的混凝土梁，功能为具有承受弯矩和轴向载荷能力的弧形梁柱加强件，以便在制造具有浅的上覆盖层的的拱形结构时提供更大的设计灵活性。
根据本发明的一方面，一种复合的混凝土强化波纹金属拱形结构，包括1)第一组定形的波纹金属板，它们以构成具有特定跨度截面、高度和纵向长度的基本拱形结构的方式相互联结，基本拱形结构具有对应于跨度截面的拱顶部分和相连的斜脊部分，以及特定厚度的波纹金属板，该波纹金属板具有在拱形结构纵向长度上横向延伸的波纹以便在拱形结构上提供许多弧形梁柱；2)第二组定形的波纹金属板，它们以叠装在基本拱形的第一组相互联结的波纹金属板上的方式相互联结，横向连续延伸的第二组波纹板至少包括拱顶部分；3)相互联结的第二组波纹板和第一组波纹板至少构成一个单独的、横向延伸的、封闭的连续空腔，每一个空腔由第一组板的内表面和第二组板的相对的内表面构成；4)从第二组波纹板横向延伸所限定的连续空腔的一端到另一端填充的混凝土，填满混凝土的空腔限定了由相互联结的第二组波纹板和第一组波纹板的金属内表面包围的混凝土的界面；
5)为提供许多弧形梁柱加强件来增强基本拱形结构的抗复合正弯矩和负弯矩的性能以及抗轴向载荷的性能，对应每个第一组和第二组波纹板的空腔内表面具有在混凝土-金属界面提供剪切联结的单独部件，这里存在足够多数目的第二组波纹板以提供足够多数目的弧形梁柱加强件来支承预计施加在本结构上的载荷。
参照附图对本发明优选实施例进行描述，这些附图包括
图1是按照本发明一方面的的凹腔拱形结构的立体图；图2是图1中桥梁结构的端视图；图3是沿图1中直线3-3的截面图；图4是沿图1中直线4-4的截面图；图5表示图3中剪切联结件的另一实施例；图6是一个固定到波纹板的内表面的剪切联结件的放大图；图7是和图3类似的截面图，表示向空腔中导入混凝土的灌浆孔塞；图8是具有剪切联结件另一实施例的波纹板的截面；图9是具有剪切联结件又一实施例的波纹板的截面；图10、11、12、13、14、15和16是通过第一组和第二组波纹板的截面图，表示第二组波纹板相对于第一组波纹板的其它实施例；图17表示现有技术的具有缓冲厚板的的拱形结构的截面图；图18表示现有技术的具有顶部加强件和支墩加强件的拱形结构的截面图。
根据本发明提供的大跨度拱形结构由波纹钢板构成。按照优选实施例，大跨度倾向于包括超过15m，最好超过20m的拱形跨度。本发明的具有此跨度范围的拱形结构，能以最薄的上覆盖层承受重载荷如繁重的车辆交通载荷，并且在拱形结构上不需要混凝土载荷缓冲厚板或任何其它应力缓冲或分散装置。当然，要理解本发明的拱形结构可用于特定规格要求的小跨度；或者利用本发明结构特征的优点来使用大大减薄的钢板。作为另一种选择，利用优选结构可提高载荷承受性能，可使用低强度金属如铝合金来代替钢材。
参照图1，本发明一方面描述的拱形结构，通常指凹腔拱形。当然，要理解本发明的结构可以用于多种波纹拱形结构设计，包括卵形截面通道、箱形涵洞、圆形涵洞、椭圆形涵洞和类似情况。结构10具有由直线12表示的跨度和由直线14表示的高度。拱形的截面形状和高度尺寸以及跨度尺寸一起，限定了设计用于地下交通通道的拱形结构所围成的空间。这些交通工具可以是小汽车、卡车、火车或类似车辆。作为另一种选择，结构10可以用作河流或其它水路上的桥梁。拱形结构10的基础部分16按标准拱形结构工程技术固定在合适的基座上。拱形结构10通过相互联结的、常标记为18的第一组定形波纹钢板来建造，联结处由虚线20表示。第一组相互联结的波纹钢板构成基本拱形结构，提供所需要的横截面跨度12和高度14。拱形结构的纵向长度方向由直线22表示，需要提供的所需拱形结构长度决定相互连接的波纹钢板的数量。拱形结构的长度主要由上跨桥的宽度决定。具有单个波纹的第一组相互波纹式联结的钢板提供相应数量的一组弧形梁柱。横跨拱形结构的每一个波纹21起抵抗基本拱形结构中的正、负弯矩和轴向载荷的弧形梁柱的作用。
如图3更详细所示，所用波纹板包括具有在拱形结构纵向长度22上的横向延伸的波峰和波谷的特定厚度的金属波纹板，最好是钢板。按照本发明的不同方面，金属包围混凝土加强件可以通过把第二组波纹板布置在第一组波纹板上面，以各种方式形成。为实现本发明的优点，复合混凝土/金属加强件必须通过在第一组和第二组波纹板之间包围混凝土的方式形成。在相应的附图中描述了第二组波纹板各种其它形状。
在第一实施例中，提供的波纹板组为在拱形结构的横向和纵向方向连续延伸的第二组波纹板。第二组定形的波纹钢板24以某种方式互相联结，叠装在第一组波纹板18顶部。第二组金属波纹板每个有特定厚度，并具有在拱形结构纵向长度22上的横向延伸的波峰和波谷。第二组波纹板的波谷和第一组波纹板的波峰固定在一起。按照这个特定实施例，第二组波纹板在位置26处终止，这里线28表示第二组波纹板间的联结处。参照图2的描述，依赖于为基本拱形结构的弧形梁柱提供合适的加强件的拱形设计要求，第二组波纹板可以延伸在拱形结构的整个横截面上或横截面的大部分上。第二组波纹板延伸在支承载荷的有效的拱形结构长度上。应该理解，在提供上覆盖层时，依赖上覆盖层的侧面形状或休止角，基本拱形结构的一部分可以延伸超过上覆盖层区域。由于该部分不支承任何载荷，在基本拱形结构的拱顶和/或斜脊部分的这些区域不需要第二组波纹板。
如同参照下面附图所详细描述的那样，在本实施例的第二组波纹板的波峰和第一组波纹板的波谷之间构成的空腔，从拱形结构的每个斜脊区域的终止部分26延伸过去，通过利用合适的孔塞30塞住每个空腔的开口端将空腔填住。为让混凝土注入到空腔(如箭头34所示)中，在上部波纹板的波峰上形成孔32。应该理解，为方便注入混凝土来填充空腔和避免在空腔中形成任何空洞，可以沿着空腔多开一些孔32，以便得到如图3和图4所描述的合适的复合的混凝土-钢板界面。一旦空腔填满混凝土，开孔32被选择性地用合适的塞子36塞住。
如图2所示，拱形结构10是凹腔拱形结构设计，具有由弧形38限定的拱顶部分和分别由弧形40限定的相对的斜脊部分。第一组波纹板18构成了基本拱形结构，该基本拱形结构从装在合适的基座42上的第一个端部44延伸到安装在基座48的第二个端部46。第二组波纹板24在拱顶截面38上和部分斜脊截面上连续延伸。第二组波纹板在斜脊截面40上的延伸程度，依赖于设计需要。按照本实施例，第二组波纹板24延伸罩住下通道表面50上方的斜脊截面上的大部分。可是，应当理解第二组波纹板可以延伸罩住拱形结构的基础部分44和46，或仅仅刚延伸到斜脊截面范围内，这依赖于抵抗正、负弯矩和轴向载荷的设计需要。如图2所示，线20表示第一组波纹板的联结处，线28表示第二组波纹板的联结处。
存在通过拱形结构的路面时，路面50按照标准的路面技术规范建造。基座42和48布置在密实路堤52上。密实路堤52上是一层密实沙石颗粒54。路面50可以是一层强化混凝土和/或密实沥青混合料56。当然，选择跨度12和高度14所限定的包围空间要足以允许指定的车辆交通、水道或类似物在拱形结构10下方通过。
在拱形结构10上，该区域用密实填料58回填，使区域60具有相对最薄的上覆盖层。对于正常情况下的大跨度钢质拱形结构，常设置混凝土缓冲载荷厚板(将参照图17描述)和钢质拱形结构10一起支承在上跨桥表面62上的重型动态载荷如车辆交通。利用本发明的拱形结构，在需要最薄上覆盖层60的地方，不需要如图18所示的在拱顶截面38上方的这类载荷缓冲厚板或其他形式的混凝土加强件。这在设计上跨桥表面62中有重要意义，因为可以显著减少引路64的坡度。上跨桥表面62按正常方式建造，断面66具有通常的沙石颗粒材料密实层和由混凝土和/或沥青混合物构成的上层。按照本发明，通过在圆周方向提供由不连续的填实空腔构成的横向延伸的连续弧形加强件，本拱形结构容易在上跨桥62上支承重型动态车辆交通载荷。在第一和第二组波纹板之间构成的不连续空腔中包围混凝土的金属板，提供了一种统一设计的复合拱形结构，来抵抗施加在拱形结构上的弯曲和轴向载荷。
本发明的复合增强加强件，提供在由叠装在一起的第一波纹板18和第二组波纹板24构成的填实空腔中。如图3的直线3-3处截面所示，第一组波纹钢板构成的波谷68和第二组波纹板的波峰70相对。按照这个特定的实施例，第一波纹板和第二波纹板具有正弦波状的波纹，对于第一组波纹板18和第二组波纹板24正弦波状的波纹是相同的。第一组波纹板和第二组波纹板在第一组波纹板的波峰72的顶点和第二组波纹板的波谷74的顶点的接触处相互联结。这两组波纹板可以在此处利用各种形式的紧固件来固定。最好使用穿过在第一组和第二组板正对的开孔的螺栓76，并由合适的螺母78来固定。由第一组波纹板内表面82和第二组波纹板的内表面84构成的空腔80从第二组波纹板的的终止端26出发以连续方式横跨拱形结构。混凝土86填充在空腔80，形成混凝土86与各自板壁90、92的内表面82、84联结处的界面88。当拱形结构承受载荷时，利用安装在第一和第二组波纹板内表面82、84的部件94提供在金属板90、92与混凝土86之间界面88处的剪切联结，该金属/混凝土界面以复合增强方式发挥作用。部件94的抗剪切性能的选择，依赖于拱形桥梁10的设计要求。应理解，剪切联结件94可以与波纹板90、92一体化成型或固定在波纹板90、92上，来抵抗界面88处的剪切作用。按照图3特定的实施例，剪切联结件94是固定在内表面90、92的单独销柱96。在该特定的实施例中，销柱96固定在第一组板波谷68的顶点98和第二组板波峰70的顶点100。剪切联结件的这种布置，通过在加强件的最外侧纤维和最内侧纤维提供剪切联结，提高弧形梁的强度，弯曲过程中这些位置剪切应力最大。
在图4详细示出单独的相邻弧形加强件的强化特征。第一、第二组波纹板18、20构成了连续封闭形式的混凝土86，利用剪切联结件96构成复合混凝土/钢板件。在有载荷施加在拱形结构上时，剪切联结件96确保在复合界面88混凝土和波纹钢板共同起作用。按照本发明的这种设计，在拱形结构中具有强化作用的加强件能够抵抗由结构上方移动载荷如繁重的车辆交通载荷导致的正弯矩和负弯矩。其它设计不能固有地在结构中具备明显的抗正、负弯矩的性能。其它设计需要在结构上使用应力缓冲厚板或钢质强化杆来降低正、负弯矩或提供抗正、负弯矩性能。按照本发明的复合件导致的其它优点是可以减少用于制造第一、第二组波纹板的金属板的厚度或重量。非钢的其它金属如铝合金可用来制造这些波纹板。填充后的相邻的复合钢混凝土加强件，还可以具有大的跨度和减小了的挠曲度，最重要的是可以在拱形结构设计中用较少的上覆盖层，因此在拱形结构回填操作中需要较少的技术或作为另一种选择可以使用较低级别的回填料。限定了混凝土容纳空腔的第一、第二组波纹板以某种方式联结在一起的构造，在结构跨度明显增加时，大大方便了结构的安装，这一点在下述例子中的结构强度对比分析中会很明显。如图4所示，为确保在空腔80中的混凝土起到复合支承结构的作用，剪切联结销柱96彼此间隔分布，安装在相应的第一组波纹板的波谷68和第二组波纹板的波峰70上。此外，为优化在混凝土钢板界面88的剪切联结，相对的两组销柱彼此交错布置。
如图5所示，这是联结销柱96的另一种布置形式。波谷68具有向下的倾斜侧面102，波峰70具有向上的倾斜侧面104。剪切联结销柱96布置在波谷向下的倾斜侧面和波峰向上的倾斜侧面上，从而在空腔80内增加联结销柱的数目并且同时在空腔的横向延伸方向提供所需的间隔。
参照图6，具有柱杆106和环状扩大的头部108的优选的销柱96，利用电阻焊方法把其基座部分110焊接在第一组钢板壁90上。按照本实施例，电阻焊处112消耗联结剪切销柱96安装位置的部分基体金属113。
图7的截面表示空腔80通过灌浆嘴114填满混凝土86时的情况。灌浆嘴114有一个联结件116固定在板24的壁92上。该联结件有一个孔118，通过把混凝土泵送管路联结到联结件116，沿箭头120方向经过孔118将混凝土注射到空腔80中。一旦完成混凝土86向空腔80中的填充，可把一个合适的孔塞124螺旋式拧到联结件中，封闭孔118，完成混凝土装入。当然，要理解可以用其它技术向空腔中填充混凝土，如使混凝土泵送管道一端有可拆卸的联结件，该联结件可以瞬时联结到板壁92的孔上来填充混凝土，然后用塞子或类似物固定在板92的开孔处。
如前所述，可以在第一组板和第二组板的内表面形成各种类型的剪切联结件。图8表示在第一组波纹板18板壁90上形成的间隔分布的剪切联结件126。一体的剪切联结件最好沿着波谷98的顶基线形成。联结件126在板壁90上成型，向内突出并有有限的峰高128。随着混凝土固化在空腔128中，向内突出的一体化成型的峰高128在板的内表面82提供必要的剪切联结。类似，对于图9的另一实施例，第一组板18内表面82形成许多突起130。这些突起130在该内表面一体化成型，并具有足够的深度来提供与泵送到和固化在组件结构空腔中的混凝土之间的剪切联结。
图10、11和12表示第一、第二组板的其它布置形式，在拱形结构的长度方向提供不同间距的弧形梁。在图10中，拱形结构的基本部分由许多相互联结的波纹板18构成。沿着拱形结构基本部分的一些选定的位置，一系列第二组板24连结到上面，使波谷68对着第二组板的波峰70，构成空腔80。可用第二组板24跨过一个或多个波谷68，来和基本板18的波纹相互联结构成的间隔分布的拱形结构加强件。作为另一种选择，如图11所示，第二组板24可以包括具有多个波峰70的多个波纹，从而得到多个空腔80。在第二组板24的每一系列的一个或两个空腔，填满如剪切联结件96所表明的混凝土。对于图10和图11的结构，弧形加强件承受载荷，在这里基本板18的波纹和这些混凝土复合梁相连结构成统一的结构。应当理解，依赖预计的或设计承受的载荷，决定混凝土复合梁的间距，来在整个结构上提供必需的的抗正弯矩、负弯矩的性能，以及抗轴向载荷的性能。应该理解，第二组板24可以具有3个或更多个波纹。可是，对于厚度为3～7mm并且宽度为75cm的钢板，难于形成具有足够深度和间距的多于两个的波纹。作为一种选择，由于铝容易成型，使用宽度为120cm的铝板，提供至少3个到4个波纹是可能的。
对于图12的实施例，第二组板24的各系列板连续跨过基本板18。两组板用螺栓76相互联结，这里有些位置有4层板相互连结起来。尽管这使装配复杂化，所得结构在每个相邻的由相对的波纹形的第一组板和第二组板构成的的空腔中填满混凝土，这提供了一个支承施加在结构上面的载荷或在回填过程支承结构时很坚固的结构，优化了抗正、负弯矩的性能和抗轴向载荷的性能。图10和11描述的结构的的优点之一，是相互连结的第二组板的各系列板不重叠，避免了如图12实施例那样要将高达4层的板相互联结。
图13和14表示另外的实施例，这里改变在第一组板和第二组板上的波纹的相对间距。在图13中，第二组板24具有正弦状波纹的间距，这里波峰70的间隔为第一组板18的波谷68的距离的1/2。这种布置，与单位宽度具有多个波纹的的第二组板相比，在由厚板制造的第一组板上提供较少的波纹。剪切联结件96布置在空腔80中，以图示方式构成弧形梁加强件来强化基本拱形结构。
如图14所示，作为另一种选择，第二组板24可以具有比第一组板18少的波纹。实际上，它是图13的截面倒过来的截面，只是正如螺栓76间距表明的那样，第一组板和第二组板的间距都增加了。如同图13的实施例，在空腔80中布置销柱96形式的剪切联结件，来提供复合混凝土金属加强件。
从图13和14可明显看出，在形成复合金属包围混凝土加强件中，空腔80可以有各种截面形状。一种进一步的变型示于图15，这里第二组板24具有多边形的波纹，按照本实施例，它是方形的。当然应理解第二组板24可以具有其它多边形的形状如梯形、三角形和类似形状。正如其它实施例，在空腔80中布置剪切销柱联结件96，来形成强化基本拱形结构的所需复合混凝土金属加强件。对于图15的布置，具有多边形的波纹的第二组板24允许在第一组板18波峰的平面上填充更多的混凝土。
图16的布置提供了一个和第一组板18相连的平面状的第二组板24。这里平板24位于由第一组板波峰的顶点基线构成的平面内。剪切销柱联结件96可以某种方式布置在空腔80中，其中每个空腔80可被填满。使用平面状的第二组板，可以方便必要的特种形状横过拱形结构，例如，在拱形结构曲率半径相对小的地方，平面状的第二组板24可以更容易地弯曲与第一组板18的曲率相匹配。
对于图10到16的实施例，很明显空腔的截面形状设计可以具有很大的变化。应理解，在提供最有效形式的抵抗弯矩的复合混凝土金属板加强件时，空腔应该在第一组板的波峰的平面的上方和下方延伸从而构成在加强件最外侧纤维和最内侧纤维之间最大的可能距离，也就是加强件具有最大的截面模量。因此，第一组板和第二组板的优选形状是图10到12描述的形状，这里第二组板相对的波峰和第一组板相对的波谷具有最大距离，从而使独立的复合混凝土且由金属板包围的加强件的截面模量最大化。
本发明提供的加强件的各个实施例的一个惊人优点，是比现有的具有其它形式的加强件的钢质拱形结构可以大大增加结构的跨度。通过提供在界面有剪切联结的独单的复合混凝土和金属材料的加强件，可以对拱形结构设计进行很显著的修改，来提供新型的由拱形包围的空间。没有一个现有技术的拱形结构允许对标准的拱形结构设计进行修改，因为这些标准拱形结构设计具有限定的形状，该形状被认为是仅有的在结构中抗弯矩的形状。当第二组板从拱形结构的一侧的底端延伸到拱形结构另一侧的底端时，承受复合轴向载荷和弯矩能力在整个拱形结构上增加。这种混凝土包围在金属板中的独单的复合弧形梁柱，允许设计工程师为不同类型的拱形包围空间设计独单形状的拱形结构，以使上覆盖层和平缓的引道坡度最小。正常情况下，这类其它设计只能在重型浇注混凝土桥梁结构上实现。因此，本发明的结构特征，将波纹金属板式标准类型的拱形结构设计带进一个新型的领域，提供了不同于昂贵的、重型增强标准混凝土桥梁设计的其它选择。
现在设计拱形结构围成的新型包围空间的能力带来的另一个优点，是提供了在拱形结构下方并且在拱形包围空间的下通道之外的地方，这些地方可以作为水道、步行道、排水沟、步行辅助道、动物和小交通工具如自行车道。尽管这些附加特征得到的空间可以通过更昂贵的成型混凝土桥梁得到，但本发明的金属拱形结构能以相当低的成本获得这些特征。
下面讨论图17和18的现有技术的标准结构，同时进行这些标准结构对照新拱形结构的结构分析，来表明新设计的许多优点。
施加的局部载荷如动态车辆载荷，通常在柔性拱形结构上产生两种应力。图18表示美国专利U.S.4390,306的拱形结构146在局部载荷作用下产生的典型变形154。由于向下的载荷148作用在结构的拱顶150上，在结构的拱顶部分产生正弯矩152而在斜脊部分产生负弯矩154。这里特殊设计利用厚板155来对付正弯矩。可是，支墩158对抵抗斜脊部分的负弯曲应力无关，因为结构在该方向能够挠曲。垂直动态载荷在结构的横截面纤维发生转化，将垂直轴向载荷159传递到结构的基座156。对于特定的垂直载荷，弯曲应力和垂直应力的比率根据上覆盖层的厚度改变。一般而言，上覆盖层越薄，动态载荷抵达拱形结构表面时越集中，拱顶发生越大的变形，结构中产生越大的弯曲应力。
图17的标准柔性波纹金属拱形结构132抗弯曲应力的能力特别弱。现有设计倾向通过尽可能将动态载荷134分散在结构上从而限制结构中弯曲变形量。最明显的方式是增加上覆盖层土壤136的厚度。作用在上覆盖层土壤的点载荷按照图17虚线所示的应力分散范围138分散在该土壤厚度层中。载荷抵达金属拱形壳体的拱顶表面140时，将转化为作用在壳体表面一个大的区域内的载荷。因此，结构中的主要应力成为轴向应力，而不是弯曲应力。在现有的埋入式拱形结构设计中，必须提供标准的最薄的上覆盖层。在上覆盖层厚度受限制并且低于最薄上覆盖层厚度要求情况下，必须提供应力缓冲厚板142在结构上和结构外进一步扩大应力分散范围144。应力缓冲厚板142可以布置在拱形结构132顶部或表面135上，或者二者之间。随应力缓冲厚板142靠近拱形结构顶部，应力分散范围形状当然要改变。在任何情况下，本发明加强件设计所用混凝土的量，大大低于应力缓冲厚板的混凝土需要量。
下面的工程分析表明了本发明设计的惊人好处。设计了示于图1和图4的复合混凝土增强波纹金属拱形结构。在凹腔式拱形结构中第一组定型波纹金属板由3ga厚的钢板制造，该拱形结构具有19.185m的跨度和在基座上8.708m的高度。第二组定型波纹金属板由3ga厚的钢板制造，以某种方式互相连结叠装在基本拱形结构的第一组相互连结的波纹板上。第二组波纹金属板是以每片具有两个在拱形结构长度方向横向延伸的波纹来安装，并且第二组波纹金属板的波纹波谷和第一组波纹金属板的波峰固定在一起(如图11所示)。
在镀锌前，如图6所示的剪切销柱用电阻焊方式固定在第一组和第二组波纹金属板上。剪切销柱的直径为12mm，长度为40mm，而中心间距为800mm。剪切销柱如图4所示的那样交错分布在第一组和第二组波纹金属板上。如图7所示，在第二组波纹金属板的拱顶布置着灌浆嘴。具有25Mpa的压缩强度的混凝土，在空腔的端部封闭后，经灌浆嘴注入空腔。
在现场，本结构要求高度为1.13m的上覆盖层，而使用非复合金属拱形结构的现代桥梁设计标准要求最小上覆盖层厚度为3.82m。为实现上覆盖层厚度为1.13m，非复合金属拱形结构要使用由1ga厚的钢板制造的第一组定型波纹金属板和第二组增强波纹金属板。非复合金属拱形结构没有混凝土填充空腔和剪切销柱。可是，它需要一个安装在路面上、延伸跨过结构整个长度的、厚度300mm和宽度20m的混凝土应力缓冲厚板。本发明的复合混凝土增强结构，能在没有上述现有技术的结构的上述问题的前提下，满足具有相对低的最小上覆盖层的设计需要。
复合混凝土增强波纹金属拱形结构带来原料和制造成本相当大的节约。具有剪切销柱的3ga厚的钢板的成本大大低于没有剪切销柱的1ga厚的钢板的成本。此外，填充空腔的混凝土用量远低于建造应力缓冲厚板的混凝土用量。估算表明，非强化的波纹金属拱形结构和混凝土应力缓冲厚板的成本至少比本发明复合结构的成本高20％。
本发明通过增加拱形结构本身在拱顶和斜脊部分的抗弯矩能力，克服了与具有薄上覆盖层的拱形结构上的动态载荷相联系问题。结构上具有的连续弧形加强件使得结构能抗正、负弯矩。尤其是，在结构的安装阶段，由于作用在侧面的土壤压力可在拱顶部分出现载荷峰值。此时，在拱顶部分产生本发明复合混凝土/金属拱形结构同样能抵抗的负弯矩。这是比以前任何现有技术具有多的显著优点；现有技术主要设计用来抗有限的正弯矩，在没有附加的精心制作的加强件时不能抗负弯矩。并且通过增加承受弯曲和轴向复合载荷的弧形梁柱的抗弯矩能力，该梁柱承受弯曲和轴向复合载荷的能力也提高了。
尽管在这里详细描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明精神或所附权利要求书的范围的前提下可以对本发明进行修改。
权利要求
1．一种复合混凝土增强波纹金属板拱形结构，包括ⅰ)以某种方式相互联结的第一组定型波纹金属板，其构成具有特定跨度截面、高度和纵向长度的基本拱形结构，所述基本拱形结构具有对应于跨度垂直截面的拱顶部分和相连的斜脊部分，以及特定厚度的、具有在所述拱形结构纵向长度上且沿横向延伸的波纹的波纹金属板，用来在所述基本拱形结构上提供许多弧形梁柱；ⅱ)以某种方式相互联结的第二组定形的波纹金属板，其叠装在所述基本拱形的第一组相互联结的波纹金属板上，所述第二组波纹板横向连续延伸，以至少包括所述的拱顶部分；ⅲ)所述的相互联结的第二组波纹板和所述的第一组波纹板至少构成一个单独的、横向延伸的、封闭的连续空腔，每一个所述的空腔由所述的第一组板的内表面和所述的第二组板的相对的内表面限定；ⅳ)由所述的第二组板横向延伸所限定的所述的连续空腔的一端到另一端填满混凝土，所述的混凝土填满空腔构成由相互联结的所述第二组板和第一组板的所述的金属内表面包围的所述混凝土的界面；ⅴ)为提供许多弧形梁柱加强件来增强所述基本拱形结构的抗复合正弯矩和负弯矩的性能和抗轴向载荷的性能，对应每个所述的第一组和第二组板的所述的空腔的所述的内表面具有在所述的混凝土-金属板界面提供剪切联结的单独部件，存在足够多数目的所述第二组波纹板以提供足够多数目的所述弧形梁柱加强件来支承预计施加在所述的结构上的载荷。
2．如权利要求1所述的拱形结构，其特征在于所述第二组板呈平板状。
3．如权利要求1所述的拱形结构，其特征在于所述第二组波纹板是具有至少一个波纹的波纹金属板，所述第二组板的所述波纹在所述拱形结构的纵向长度上沿着横向延伸，并且第二组波纹板的波谷部分和第一组波纹板的波峰部分固定在一起。
4．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于所述第二组板在单位宽度上具有一定数目的波纹，该数目多于所述第一组波纹板同样单位宽度上的波纹数目。
5．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于所述波纹的截面形状为圆周状或多边形状。
6．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于所述第二组板延伸跨过所述拱形结构的整个跨度，从其一个所述斜脊截面的基础部分通过所述拱顶截面到达另一所述斜脊截面的基础部分。
7．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于所述第二组板延伸跨过所述拱形结构的整个跨度的主要部分，从其一个斜脊部分的中间部分通过所述拱顶部分到达另一所述斜脊部分的中间部分。
8．如权利要求6所述的拱形结构，其特征在于所述结构是卵形涵洞、凹腔拱形结构、箱形涵洞、圆形涵洞或椭圆形涵洞。
9．如权利要求7所述的拱形结构，其特征在于所述结构是卵形涵洞、凹腔拱形结构、箱形涵洞、圆形涵洞或椭圆形涵洞。
10．如权利要求1所述的拱形结构，其特征在于在所述复合界面提供剪切联结的所述部件包括在所述第一组板和第二组板上形成的一些一体化的侧向突出的突缘，用于抵抗在所述混凝土和所述第一组和第二组金属板之间的相对移动。
11．如权利要求1所述的拱形结构，其特征在于在所述复合界面提供剪切联结的所述部件包括由所述第一组板和所述第二组板构成的所述空腔的所述内表面上固定着向内突出的销柱。
12．如权利要求1所述的拱形结构，其特征在于在所述复合界面提供剪切联结的所述部件包括在所述第一组和第二组波纹板的内表面上形成的突起。
13．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于所述每一块第二组板具有单个波纹。
14．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于所述每一块第二组波纹板具有多个波纹从而构成一些相邻的横向延伸的空腔，至少一个所述的相邻空腔具有所述的剪切联结部件并填满混凝土，以提供所述的弧形梁柱加强件。
15．如权利要求14所述的拱形结构，其特征在于每一个所述相邻空腔具有所述剪切联结部件并填满混凝土，以提供相邻组的所述的弧形梁柱加强件。
16．如权利要求3所述的拱形结构，其特征在于第二组的波纹金属板叠装在所述的第一组的金属板上，所述第二组板在纵向长度方向叠装在所述的第一组金属板上，其中叠装的长度为有效地支承载荷的长度，选择具有所述剪切联结部件的空腔并填满混凝土，以提供所述足够数目的所述的弧形梁柱加强件。
17．如权利要求16所述的拱形结构，其特征在于沿着支承载荷的所述结构的有效纵向长度上，每一个所述相邻空腔具有所述剪切联结部件并填满混凝土，以提供相邻的弧形梁柱加强件。
18．如权利要求15所述的拱形结构，其特征在于每个所述第一和第二组板的所述波纹板具有相同的正弦外形，从而通过把相邻的所述第一组板的波峰和正对的相邻的第二组板的波谷用螺栓连结起来形成每个所述空腔。
19．如权利要求18所述的拱形结构，其特征在于所述剪切联结部件包括固定在所述空腔内表面上向内突出的销柱，所述销柱沿着所述第一组和第二组波纹板的相对的内表面交错分布。
20．如权利要求19所述的拱形结构，其特征在于所述波纹板具有正弦状的波纹外形，该波纹选择深度在25～150mm之间，选择间距在125～450mm之间。
21．如权利要求20所述的拱形结构，其特征在于所述跨度超过15m。
22．如权利要求21所述的拱形结构，其特征在于在每个空腔末端提供孔塞。
23．如权利要求22所述的拱形结构，其特征在于通过在第二组波纹板上的多个孔向所述空腔填充混凝土，每个所述单独的空腔填满混凝土后，将每个孔塞住。
全文摘要
一种复合混凝土增强波纹金属拱形结构包括:i)以某种方式相互联结以构成具有在所述拱形结构纵向长度上且沿横向延伸的波纹的基本拱形结构的第一组定形波纹金属板(18);ii)以某种方式相互联结以叠装在基本拱形的相互联结的第一组波纹金属板上的第二组定形的波纹金属板(24),第二组波纹板至少包括一个在拱形结构长度上横向延伸的波纹,并且第二组板的波纹的波谷固定在第一组板的波峰上;iii)相互联结的第二组波纹板和第一组波纹板构成一些独特的、横向延伸的、封闭的连续空腔(80),用混凝土(86)填满空腔来构成由相互联结的第二组波纹板波峰和第一组波纹板波谷的金属内表面包围的混凝土的界面;iv)对应每个第一组和第二组波纹板构成的空腔的内表面具有一些在混凝土－金属板界面提供剪切连结的部件(96)来形成一些横跨拱形结构的弧形梁,这里给结构提供了抗正弯矩和负弯矩性能以及抗弯曲和轴向复合载荷性能(对应施加的载荷)。
文档编号E02D29/045GK1221467SQ97195436
公开日1999年6月30日 申请日期1997年6月11日 优先权日1996年6月12日
发明者托马斯·C·姆卡武尔 申请人:迈克尔·W·威尔逊