采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于拱桥技术领域，具体涉及一种采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构及其施工方法。
【背景技术】
[0002]在国内公路铁路建设中，中桥、小桥和涵洞占有较大的比例，而中小桥及涵洞设计中绝大部分采用钢筋混凝土或圬工结构。钢筋混凝土或圬工结构，圬工量大，施工繁琐、工期长。在复杂的地质条件下，地基处理、基础工程及下部结构所占工程量较大，施工困难。一些结构适应地基变形能力和抗震性能普遍较差，当地基出现不均匀变形时，在结构内会产生较大的应力;如果应力超过材料强度，将引起混凝土结构的开裂和破坏，影响结构物的功能及寿命，维修费用巨大。拱式桥的主要承重结构为拱圈。由于拱脚两侧的水平推力作用，显著降低了荷载所引起的拱圈内的弯矩。但是，传统的石砌拱桥，工程数量巨大，且对石材质量、地基承载力和施工人员技能要求较高，而常见满堂式支撑系统对周转材料的需求量也比较大。
[0003]波纹钢板桥涵技术在国内目前还是一个新的领域。与其他材料预制品相比，波纹钢板具有截面小、柔性好、重量轻、便于存放和运输、施工工艺简单、组装快捷、施工工期短等优点，是一种在桥梁建设中具有较大推广潜力的新型产品。当前，波纹钢板结构在中小拱桥中应用的研究才刚刚起步。波纹钢板制品修建的为数不多的覆土钢波纹板桥最大跨径不超过10m。例如，申请号为201310220380.5的中国发明专利公开了一种圆弧拱钢波纹板桥涵结构，单孔跨度仅为4m。覆土钢波纹板桥往往钢材用量较多，且桥梁自重较大。
[0004]为增大结构的跨越能力、拓展波纹钢板制品使用范围，进一步降低拱上填土恒载自重、提高波纹钢板裸拱的强度和刚度是十分关键的。申请号为201320127712.0的中国实用新型公开了一种采用内外两层波纹钢板对扣连接，内部空间填充抗压填充物的组合式波纹钢板拱桥建造方法。申请号为201310079450.X的中国发明专利公开了一种空腹式大跨填土复合波纹钢板拱桥结构，该组合结构大跨主拱圈采用夹心砂浆复合波纹钢板，波纹钢板通过螺栓连接成反置双层板并在夹层设置栓钉填充高强砂浆形成整体的夹心砂浆复合波纹钢板，腹孔采用波纹钢管，主拱圈和腹孔间通过填土传递荷载。
[0005]对于大跨度拱桥，需要拱圈具有较高的承载力，特别是，在拱顶砂砾填料压实阶段，需要拱圈具有较强的抗屈曲破坏能力。上述专利提出了通过内外两层波纹钢板对扣连接以及在内部空间填充抗压填充物等增强结构承载力措施。事实上，对波纹钢板拱圈承载力增强效果十分有限，并且工艺较为繁琐，注浆填充质量不易检测和控制，波纹钢板漏浆问题也不易解决。
[0006]申请号为201220628320.8的中国实用新型公开了一种双层波纹钢板拱桥，包括至少两个基础部以及由波纹钢板制作的两层拱形承重部和填充在其中的抗压填充部。但是，没有涉及拱圈以上构造和填充部的结构和材料的设计及施工方法。
[0007]申请号为201410421742.1的中国发明专利公开了一种覆土波纹钢板-混凝土组合拱桥的加强方法，发明中采用了与申请号为201320127712.0的中国实用新型及申请号为201310079450.X的中国发明专利类似的波纹钢板-混凝土组合拱圈。第二波纹钢板反置于第一波纹钢板下部，之后在横纵向通过高强螺栓进行拼接形成加劲波纹钢板拱圈；从拱脚向拱圈空腔内压浆灌注混凝土；在第一波纹钢板顶部浇筑混凝土。然而，申请号为201410421742.1的发明专利与申请号为201310079450.X发明专利存在两个方面共同的问题。首先，采用普通砂砾作为拱顶填料，主拱圈及腹孔波纹管附近的填土难以压实，人工夯实效率较低，并会对主拱圈内混凝土强度造成影响；当压实度难以保证或压实不均匀时，钢板拱壳在不平衡压力(荷载)作用下，容易失去稳定性;其次，通过采用金属波纹管等中空结构置换填土来减轻桥梁自重，成本较高。
[0008]采用普通波纹钢板与砂砾构筑而成的覆土波纹钢板桥涵，主要依靠柔性波纹钢板拱壳附近填土的被动土压力支撑，实现结构的稳定。如果拱壳顶部填土厚度较小，拱壳之上填土由于缺乏足够的约束，抗剪强度较低，在施工和运营期间，拱壳挤出力作用较大的位置，拱壳结构将会发生较大的变形，甚至失稳。为扩散施工机械荷载及行车荷载产生的应力，防止波纹钢板拱壳产生过大的变形，保证施工和运营期间波纹钢板拱壳的稳定，美国和加拿大等国的规范和指南中规定，应根据桥涵跨径，满足一定的最小填土厚度(0.6?1.2m)的要求。然而，如果路基边坡坡率按I: 1.5计算，拱桥或涵洞顶部填土每减少或增加lm，拱桥的宽度和涵洞的长度会相应有3m的变化，钢材等材料用量随之显著变化。一些路基填土高度受限地段，设计者一般通过增加桥涵孔数并压缩桥涵孔径来满足泄洪要求，但多孔拱桥(涵洞)水力条件通常较单跨桥梁差。美国专利4563107公开了一种波纹板拱壳-翼梁结构系统，试图通过在拱壳顶部布设翼板梁扩散行车荷载应力，防止钢板拱壳失稳。但是，由于普通砂石材料填筑的路堤下部地基承受的荷载远高于拱壳底部地基承受荷载，严重的路-桥差异沉降常常导致翼板与其下方的填土脱离，进而出现翼板脱空和折断病害，使用效果并不理想。
[0009]圬工拱桥主拱圈是曲线型，一般情况下车辆无法直接在弧面上行驶，所以在行车道系与主拱圈之间需要有传递荷载的填充物。为了降低成本而就地取材，通常采用砾石、碎石、粗沙或卵石夹黏土并加以夯实；当填料不易取材时，往往改用砌筑式拱上建筑，通常采用干砌圬工或浇筑素混凝土作为拱上填料。上述传统拱上填料表观密度一般为1800?2450kg/m3，拱圈内力较大，不利于结构的受力。如果采用透水性欠佳的黏性土填料，水渗入后拱上填料自重增加，降低拱桥的承载车辆荷载的能力;含水量增大后产生的膨胀压力常常导致侧墙及路面开裂;而渗水流至主拱圈，导致裂缝处钢筋锈蚀，削弱钢筋截面面积;钢筋锈蚀后膨胀，引起混凝土剥落，严重影响拱桥的承载能力及使用耐久性。申请号为201210105040.3的中国发明专利公开了一种使用轻质混凝土作为拱上填料的圬工拱桥。轻质混凝土填料层的材料采用无砂大孔混凝土、粉煤灰陶粒混凝土、粘土陶粒混凝土、页岩陶粒混凝土、浮石或火山渣混凝土、自燃煤矸石混凝土和膨胀矿渣珠混凝土中的一种或多种。表观密度为800?1950kg/m3。申请号为201210140016.3的中国发明专利公开了一种EPS轻质混凝土加固拱桥的方法，容重约为12kN/m3，抗压强度约为1.7MPa。上述专利涉及的轻质混凝土采用的轻质骨料或废旧EPS材料，由于材料来源问题，运距较远，难以在交通不发达的偏远地区新建公路和铁路工程中推广应用。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构。该拱桥结构具有自重轻、跨越能力强、适应变形能力强和承载能力高等特点，有效解决了拱圈顶部及两侧传统回填材料无法压实的难题和桥头跳车的难题。
[0011]为实现上述目的，本发明拱桥结构采用的技术方案是:采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构，其特征在于:包括左侧钢筋混凝土基础、右侧钢筋混凝土基础、设置在左侧钢筋混凝土基础和右侧钢筋混凝土基础之间的拱圈以及填充在所述拱圈上方和两侧的泡沫混凝土填充体，所述拱圈包括混凝土拱板和由波纹钢板制成的钢板拱壳，所述钢板拱壳和混凝土拱板锚固连接，所述桥面铺装结构铺设在所述泡沫混凝土填充体上。
[0012]上述的采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构，其特征在于:所述钢板拱壳和混凝土拱板均为圆弧形，所述钢板拱壳的左端和混凝土拱板的左端均固定在所述左侧钢筋混凝土基础上，所述钢板拱壳的右端和混凝土拱板的右端均固定在右侧钢筋混凝土基础上，所述拱圈的拱顶位置设置有用于穿过泡沫混凝土填充体并与所述桥面铺装结构相连接的垂直钢筋，所述泡沫混凝土填充体内设置有用于与所述桥面铺装结构相连接的垂直钢筋
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[0013]上述的采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构，其特征在于:所述钢板拱壳的数量为两个，两个所述钢板拱壳通过螺杆连接，所述混凝土拱板位于两个所述钢板拱壳之间，所述混凝土拱板采用自密实混凝土现场浇筑而成。
[0014]上述的采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构，其特征在于:所述左侧钢筋混凝土基础和右侧钢筋混凝土基础均为板式基础，所述左侧钢筋混凝土基础的下方设置有左侧泡沫混凝土基础，所述右侧钢筋混凝土基础的下方设置有右侧泡沫混凝土基础。
[0015]上述的采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构，其特征在于:所述钢板拱壳为椭圆形，所述混凝土拱板为圆弧形，所述混凝土拱板的左端与左侧钢筋混凝土基础固定连接，所述混凝土拱板的右端与右侧钢筋混凝土基础固定连接。
[0016]上述的采用泡沫混凝土和波纹钢板的拱桥结构，其特征在于:所述左侧钢筋混凝土基础和右侧钢筋混凝土基础之间设置有由波纹钢板制成圆弧形拱壳，所述混凝土拱板设置在圆弧形拱壳和钢板拱壳之间，所述拱圈两侧的泡沫混凝土填充体伸入路基的长度由上向下逐渐增大。
[0017]上