公路钢波纹管涵洞受力与变形特性及应用研究（可编辑） .doc

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1、公路钢波纹管涵洞受力与变形特性及应用研究 分类号:TU4 10710-2009021005 博 士 学 位 论 文公路钢波纹管涵洞受力与变形特性 及应用研究乌延玲导师姓名职称 冯忠居教授 申请学位级别 博士 学科专业名称 岩土工程 论文提交日期 2012年 6 月 论文答辩日期 2012年 6 月 8 日 学位授予单位 长安大学2 Force Deformation Characteristic and Its Application of Corrugated Steel Pipe Culvert of Highway A Dissertation Submitted for the Deg

2、ree of DoctorCandidate:Wu YanlingSupervisor:Prof. Feng ZhongjuChangan University, Xian, China 摘 要针对钢波纹管涵洞在公路工程使用中设计理论与方法存在的问题,论文结合工程实际,采用理论分析、现场试验和室内模拟试验,研究了钢波纹管涵洞的受力与变形特性及其设计计算方法、施工技术与质量控制标准。主要成果如下: 1. 通过现场试验,研究了钢波纹管涵洞的受力与变形特性,分析了钢波纹管涵洞在不同填土高度和行车荷载作用下的受力与变形规律;探明了钢波纹管涵洞在不同填土高度作用下管顶及其正交位置为受力与变形最不利;提出

3、高填土情况下以涵洞顶部土压力控制设计。 2. 采用自主研发的与实际路基涵洞埋设条件相似的大型室内模拟试验平台,研究了管径、填土高度等因素变化时钢波纹管涵洞受力与变形特性;弄清了相同钢波纹管设计参数情况下直径小于 75cm 和大于 75cm 在填土荷载作用下受力与变形的本质区别;推断了不同管径随填土荷载增加最先发生破坏的可能性位置。 3. 基于数值仿真方法,分析了填土高度、管径、地基土模量及波纹参数变化时的受力与变形特性及其变化规律;地基土模量变化时涵顶竖向土压力变化大;管顶填土高度大于 5m 时可忽略车辆荷载。将数值计算结果分别与室内模拟试验和现场试验成果进行了对比分析,确定了埋设条件、地形条

4、件、填土土性和施工方法等因素对钢波纹管受力与变形特性的影响。 4. 采用弹性理论,考虑涵洞的埋设条件、波纹壁厚等因素,建立了钢波纹管涵洞在填土荷载作用下的变形计算公式,分析讨论了公式的工程应用,并与室内模拟试验、现场试验、数值计算等分析成果进行了对比分析,结果表明与数值计算成果吻合较好,该公式为钢波纹管涵洞设计提供了理论依据。 5. 提出了钢波纹管涵洞的设计计算方法以及可供实际工程参考的波纹设计技术参数,克服了现有钢波纹管涵洞单一尺寸用于任何工程条件存在的技术缺陷;建立了公路钢波纹管涵洞的施工质量控制标准并提出合理的施工工艺,为该i 技术的相关技术规范的制定与广泛应用奠定了基础。 论文研究成果

5、解决了目前公路建设中钢波纹管涵洞工程应用中的技术难点,具有重要的理论与工程实用价值,推广应用前景广阔。关键词: 公路工程;钢波纹管涵洞;现场试验; 模拟试验;数值仿真; 受力 与变形特性;波纹参数;设计技术ii AbstractIn view of the factors in design theory and method of corrugated steel pipe culvert that is now in service in highway engineering. This article that was combined with the engineering pra

6、ctice adopted theoretical analysis, field test and simulation test, studied force deformation characteristic of corrugated steel pipe culvert and its design calculation methods, construction technology, and quality control standardsThe main results were shown as the following: 1. Stress deformation

7、characteristic of the corrugated steel pipe culvert was studied through the field test, the law of stress and strain in the corrugated steel pipe culvert was analyzed under the action of different height of the filling soil and driving load; the pipe top and orthogonal position were the place where

8、stress and the deformation were in the most unfavorable condition in the corrugated steel pipe culvert; control design of earth pressure under high-filled in culvert crown was suggested2. A large indoor simulation experiment platform which was similar to the practical embankment bury conditions of c

9、ulvert was developed independently. This paper studied the stress and deformation characteristics of corrugated steel pipe culvert under different pipe diameters, filling height and other factors. This paper presented the essential difference of stress and deformation under the filling load between

10、the pipe diameter which was more than 75cm and less than 75cm when design parameters of the corrugated steel pipe culvert were in the same condition. And also, the probable location broken first with the increase of fill load under different pipe diameters was inferred3. Based on the numerical simul

11、ation method, this paper analysed the stress deformation characteristic and change law of corrugated steel pipe culvert when the fill height, pipe diameter, soil modulus and corrugation parameters changed. The earth pressure on the culvert crown changed greatly when the soil modulus varied. And also

12、, the vehicle load could be ignored when the fill height was more than 5m. After a iii comparative analysis of the numerical results with the indoor model test and field test results, the effects of bury conditions, terrain conditions, soil properties, construction methods and other factors on the e

13、ngineering characteristics of corrugated steel pipe culvert were obtained4. The buried condition and corrugated wall thickness of the culverts was considered by using elastic theory, the deformated calculation formula of corrugated steel pipe culvert which under the filling load was established, the

14、 formula of the engineering application was analysed, and the analytical results of model test, field test, numerical calculation were compared, the results show that the numerical calculation were in good agreement with the model test and field test, the design theory of corrugated steel pipe culve

15、rt was provided by this formula5. The design calculation methods of the corrugated steel pipe culvert and its design technical parameters which could be used as reference in actual were offeredThe technical defects which were caused by single size of the existing corrugated steel pipe culverts were

16、overcome. The control standards of the construction quality of the highway subgrade corrugated steel pipe culvert were established, and the proper construction technology was put forward, and it laid a foundation for the related compilation of the technical specification and the wide use of this tec

17、hnologyThe research results solve the technical difficulties in engineering application of the corrugated steel pipe culvert, which have an important theory and project practical value and have brighted application prospect Key words: Highway engineering; Corrugated steel pipe culvert; Field test; M

18、odel test; Numerical simulation; Force deformation characteristic; Corrugated parameters; Design techniqueiv 目 录 第一章 概述. 1 1.1 研究的目的及意义. 1 1.2 国内外研究现状与评述2 1.2.1 国内研究现状2 1.2.2 国外研究现状9 1.2.3 国内应用状况 14 1.3 主要研究内容. 15 第二章 钢波纹管涵洞材料工程特性及其功能 17 2.1 概述17 2.2 钢波纹管材料组成及其性能. 17 2.2.1 钢波纹管材料组成. 17 2.2.2 钢波纹管材料性

19、能. 18 2.3 钢波纹管材料强度指标及其特性19 2.3.1 钢波纹管材料强度指标19 2.3.2 钢波纹管材料强度特性20 2.4 钢波纹管材料变形指标及其特性21 2.4.1 钢波纹管材料变形指标21 2.4.2 钢波纹管材料变形特性21 2.5 小结22 第三章 公路钢波纹管涵洞受力特性现场试验研究. 23 3.1 概述23 3.2 试验内容 25 3.3 试验方案 25 3.3.1 试验断面的选择25 3.3.2 试验测试元件布设. 25 3.4 测试元件的就位与防护 26 3.5 试验工况与步骤 27 3.5.1 试验工况27 v 3.5.2 活载状态下的试验工况29 3.5.3

20、 测试步骤30 3.6 试验成果与分析 30 3.6.1 A-A断面测试成果与分析. 33 3.6.2 B-B断面测试成果与分析42 3.6.3 活载作用下应力应变规律分析51 3.6.4 涵洞的变形特性分析 69 3.7 小结70 第四章 公路钢波纹管涵洞室内模拟试验71 4.1 试验目的 71 4.2 试验准备及内容 71 4.2.1 试验准备71 4.2.2 试验内容73 4.3 试验成果分析. 77 4.3.1 钢波纹管涵洞内部轴向受力与变形特性分析77 4.3.2 钢波纹管涵洞内部环向受力与变形特性分析83 4.3.3 钢波纹管涵洞外部轴向受力与变形特性分析90 4.3.4 钢波纹管

21、涵洞外部环向受力与变形特性分析96 4.3.5 钢波纹管涵洞土压力变化分析 102 4.3.6 钢波纹管涵洞水平向及竖直向相对变形规律分析. 105 4.3.7 不同管径钢波纹管涵洞测试成果对比分析. 106 4.4 模拟试验成果评价 115 4.5 小结 116 第五章 公路钢波纹管涵洞受力与变形特性数值模拟计算与分析117 5.1 仿真分析的目的和意义. 117 5.2 计算模型与单元划分117 5.2.1 几何模型及单元划分. 117 5.2.2 本构模型确定. 119 5.3 计算方案与参数选取123vi 5.3.1 研究内容与计算方案. 123 5.3.2 计算参数选取. 124 5

22、.4 计算成果与分析. 124 5.4.1 填土高度对钢波纹管涵洞受力与变形特性的影响分析124 5.4.2 钢波纹管管径对其受力与变形特性的影响分析127 5.4.3 地基土模量对钢波纹管涵洞受力与变形特性的影响分析. 130 5.4.4 车辆荷载对钢波纹管受力与变形特性的影响分析. 131 5.4.5 波长对钢波纹管涵洞受力与变形特性的影响分析. 137 5.4.6 波高对钢波纹管涵洞变形与受力特性的影响分析. 139 5.4.7 壁厚对钢波纹管涵洞变形与受力特性的影响分析. 141 5.5 钢波纹管涵、钢圆管涵与钢筋混凝土管涵受力与变形特性对比143 5.6 与室内模拟试验成果对比分析.

23、 146 5.7 与现场试验成果对比分析 152 5.8 工程设计与施工建议158 5.9 小结 159 第六章 公路钢波纹管涵洞变形的理论计算方法 研究. 161 6.1 概述 161 6.2 计算模型及理论推导161 6.3 计算公式及其讨论 165 6.4 与室内试验、现场试验、数值计算的对比分析 166 6.5 小结 168 第七章 钢波纹管涵洞作用荷载计算方法研究. 169 7.1 概述 169 7.2 国内外规范的荷载计算方法分析与对比. 169 7.2.1 加拿大公路桥梁设计规范169 7.2.2 美国 AASHTO 公路桥梁设计规范 172 7.2.3 公路桥涵设计通用规范JT

24、G D60-2004. 174 7.2.4 各国规范优缺点对比. 176 7.3 本文的荷载计算方法178 vii 7.4 算例分析. 182 7.5 小结 183 第八章 钢波纹管涵洞设计与施工关键技术184 8.1 目的和意义 184 8.2 设计技术. 184 8.2.1 钢波纹管涵洞的形状. 184 8.2.2 钢波纹管涵洞的结构设计184 8.2.3 钢波纹管涵洞的地基基础及洞口周边连接设计技术 212 8.3 施工技术. 215 8.3.1 涵洞施工一般规定215 8.3.2 施工关键技术. 215 8.4 小结 221 第九章 结论与建议 223 9.1 主要结论. 223 9.

25、2 进一步工作建议. 225 9.3 创新点225 参考文献227 攻读博士学位期间取得的研究成果 235 致 谢 236 viii 长安大学博士学位论文 第 一章 概述 1.1 研究的目的 及 意义 随着我国公路建设投资的不断加大和公路等级的提高,公路路基中涵洞结构物所占的比重越来越大,就已修建的涵洞结构物而言,大约平均 3座/公里。但是,根据目前涵洞的使用情况及设计和施工技术人员反映的实际情况,结合现场的调查资料,运营中约63.5%的涵洞出现裂缝,其中 70%是纵向开裂。已有的统计资料表明:涵顶填土愈高,涵洞凸出地面的高度愈大,涵洞跨度越大,则开裂的比例越大。在实际工程中,对涵洞地基处理越

26、好,涵洞开裂的反而越多,即地基承载力越高,变形越小,开裂的越多;对于在软土上修筑涵洞地基,若用桩基础处理,涵洞几乎均出现裂缝甚至破坏而导致不能正常使用;对涵洞的侧向填土压实不够,涵洞开裂的比例也较大。这些现象均说明,我国公路涵洞设计和施工技术规范中,从设计理论到施工工艺均存在一定的问题或缺陷,其主要原因是对作用于结构物上设计荷载计算不合理及施工工艺不当造成的。 针对公路涵洞中存在的问题,不少专家和学者从理论、技术、工艺等方面做了大量的研究工作,钢波纹管涵洞的提出与应用就是研究的成果体现之一。钢波纹管涵洞的优点是: (1)可以较好地适应地基基础的变形,有效地解决由于地基基础不均匀沉降导致的涵洞破

27、坏问题; (2)工厂机械化加工产品能更好地确保涵体的工程质量; (3)大大提高了涵洞的施工进度,节约工期,特别是用于临时性工程更显其优势; (4)涵体的柔性结构特性能很好地改善涵洞两侧与公路路堤交界处的“跳车病害”。基于钢波纹管涵洞的优势,国内外在公路交通建设使用了不少该种结构物用于排水,但在重要的高等级公路交通建设中鲜有大范围采用的,究其原因是: (1)钢波纹管涵洞的设计技术与施工技术尚未成熟,特别是没有可使用的相关技术规范,因此,工程实际应用中技术人员非常慎重; (2)不少工程技术人员认为钢波纹管涵洞的公路使用功能未得到广泛认可,还有待深入研究。 国内外对钢波纹管涵洞都有应用,但相应的技术

28、规范及其技术指标相差较大,我国至今没有钢波纹管涵洞的设计与施工技术规范。在赤峰乃至内蒙古地区,多条公路的设计中曾设计了钢波纹管涵洞结构,但在技术评审中有关专家仍持疑虑态度,最终大多放弃使用。鉴于钢波纹管涵洞在使用中存在的技术问题方面的盲区和不确定因素,在此基础上对钢波纹管的工程特性及其工程应用开展研究。研究结合赤峰地区公路建设实际,1 第一章 概述 基于理论分析、室内模拟试验和现场试验对钢波纹管涵洞的工程特性及其工程应用展开系统研究,使该种结构型式在工程中能得到普遍应用。 1.2 国内外研究现 状与评述 1.2.1 国内研究现状 (1)理论研究方面 长安大学的顾安全对涵洞(管)方面进行过深入的

29、研究,包括以下方面:通过对数百座填土较高的管道调查,得出我国上埋式管道土压力计算值偏小,导致较多管道纵向开裂。在此基础上,分析了管道开裂的规律,探讨了各种公式的问题所在,进而根据室内模型试验结果,提出了减载措施和管顶沉降差 来概括土压力的各种影响因素的见解,并就采取减载措施与否的两种情况,分别提出了土压力的计算公式,并通过后期的现场实测资料验证了公式的合理性。对高填土涵洞的涵顶与涵侧同时铺设柔性材料EPS 板的减载效果进行了多情况的试验对比,结果表明:这种措施不仅对减小涵顶和洞侧的土压力效果十分显著,同时还可解决涵洞在填土中引起的路面沉降不均,改善涵洞纵向垂直土压力与沉降的分布不均。针对空间问

30、题上埋式构筑物,在现场埋置了一组空间与平面问题的上埋式构筑物模型,进行垂直土压力测试对比,并以空间问题模型的有限元计算结果与实测值作对比验证。得出高、宽(或直径)比相同的空间与平面问题,1-6前者的垂直土压力明显大于后者,从而验证了按弹性理论推出的计算公式的可行性 。 长安大学的折学森在管道土压力及变形方面进行过细致的研究,主要包括:从模型试验和有限元分析两个方面探讨了沟谷地形对管道土压力的影响规律,在此基础上,提出了沟谷地形中埋设管道的土压力计算方法。采用沟谷影响系数和管顶平面上的沉降差,综合反映各方面因素对土压力的影响,提出了填埋式管道垂直土压力的计算公式,7-11并通过编制电算程序,模型

31、地形条件和管道结构对管道土压力的影响规律 。 长安大学的冯忠居利用现场实测资料,采用回归分析方法,在考虑填土高度、密度,管道和槽壁间的胸腔大小,侧压力计算点距管底的高度,填土内部的摩擦力等影响管道侧向土压力的因素后,对大型沟埋式蛋型管道侧向土压力的计算提出了新的公式,并以弹塑性理论为基础,采用有限元方法,对其进行非线性分析,得出采用弹塑性理论的非12-16线性分析是比较符合实际的,其结果可供设计参考 。 19981999 年,中交第一公路勘察设计研究院初步研究了钢波纹管涵洞的受力特征。研究表明:相同围压时,钢波纹管与普通钢圆管的径向最大位移相当,但钢波纹管2 长安大学博士学位论文 的轴向位移明

32、显大于普通钢圆管,表现出钢波纹管具有轴向补偿位移的功能;钢波纹管的内部应力拉、压相间,充分发挥了金属材料各向同性的优良特性,而普通钢圆管内部拉应力较小,压应力较大。钢波纹管涵施工过程对地基扰动小,且不渗水,有利于保持17多年冻土地区的水热平衡,达到了保护冻土、整治青藏公路涵洞工程病害的目的 。 1999年,王银惠、陈立苏鉴于大型波纹管膨胀节全尺寸寿命试验在工程上实现的困难,研究了基于局部应力?应变法预测大型波纹管疲劳寿命的方法。应用非线性有限元获取波纹管的最大局部应力应变,并据此局部应变设计简化的试板。在弯曲试板上的最大应变等于波纹管的最大局部应变时,板的弯曲疲劳寿命即可代替波纹管的试验寿命1

33、8。 2001年,北京交通大学季文玉教授承担了铁道部科研开发计划项目,进行了钢波纹管涵洞受力行为理论分析与试验研究,分别从理论分析、数值计算和结构试验三个方面出发,对钢波纹管的力学性能进行了研究,测试了填土土压力和钢波纹管应力、变形的变化情况。应用论文推导出的钢波纹管应力及变形计算公式得到的结果与有限元分析和试验得到的结果十分吻合,验证了理论公式的正确性。研究表明:在荷载长期作用下,钢波纹管涵洞实测土压力发生重新分布,逐渐趋向于规范值,此时的土压力小于施工阶段的土压力。因此,施工阶段土压力是对钢波纹管涵洞的设计起控制作用;提出对钢波19纹管的设计可以采用弹性设计理论进行 。 2006年,北京交

34、通大学的蒋雪梅、雷俊卿等结合位于内蒙古卓凉二级公路两处的波纹钢圆管涵的试验研究和工程实践,对波纹钢圆管涵的垂直和水平土压力的计算方法进行了阐述,并利用有限元对波纹钢圆管涵结构的力学性能进行了计算分析,并对比现场实验研究结果,得出:对于波纹钢圆管涵,最不利的受力截面是管顶截面;随着路基填土的增高,涵洞的横向应力分布呈现明显的规律性;波纹钢圆管涵洞适应变形能力强,20在结构上还有横向补偿位移的优良性能 。 2007年,铁道第五勘察设计院桥梁分院的韩晓强通过对铁路钢波纹管涵洞的力学性能进行有限元受力分析,提出了当填土高达 5.0m 时,波纹管的位移(变形)、应力均小于规范的位移要求及钢材的屈服强度,

35、因活载在填土逐渐增加时对波纹管涵洞直接作用逐渐减小,活载组合对结果的影响逐渐降低。恒载对波纹管涵洞的位移影响较大,在填土高度逐渐增高时,恒载所占比重逐渐增加;在恒载及活载共同作用下,波纹管的竖直方向的压缩不超过 10mm,而活载引起的位移的变幅更小,工后不会发生应变疲劳破坏21。 3 第一章 概述 2008年,中交寒区道路重点实验室的符进及长安大学的章金钊根据中尼公路金属波纹管涵洞的设计,分析了波纹管的孔径、厚度、管顶最小填土厚度的确定方法,通过管涵的布置、管座与基础、涵洞细部构造设计及管材要求,介绍了金属波纹管的设计方法22。 2008年,河北省公路质量监督站的王艳丽及中交第一公路勘察设计研

36、究院的李祝龙从旋转对称壳基本理论着手,总结发现工程计算法、解析法等均不适用竖向受力的涵洞工程。根据试验数据用有限元法分析了钢波纹管涵洞大应变与小应变问题,得到两者的结果非常接近,完全可以采用小应变方法进行分析。针对工程现场采用的反开槽回填法施工,建立了有限元力学分析模型,采用底面约束所有位移和扭转自由度、管两侧立面施加水平位移约束、顶面施加荷载、其余面自由的边界条件、施加竖向汽车荷载进行分23析 。 2009年,北京交通大学的粟缤通过运用有限元分析软件 Midas,计算分析当钢波纹管上填土高度、管高及管壁厚一定时,通过计算此时波纹管的管顶位移和最大应力,对比得出波纹管跨度与管顶变形、应力的关系

37、,得出其最大管跨度。当波纹管管顶荷载一定时,波纹管的最大跨度随着管高的增加而增大,相应其变形量也增大。但当管顶上荷载较小时,波纹管的高度对其最大跨度与最大变形的影响较小;当波纹管跨度不变时,波纹管的最大应力、变形随其高度的增大而呈线性减小的趋势;随着波纹管顶上荷载的24增大,其达到破坏状态时,跨高比逐渐趋近于 2,即其形状接近于圆形 。 (2)现场试验方面 1998年,上海市政工程设计研究院和上海公路处在上海新开河对 4m 直径的钢波纹管(板)涵洞进行了荷载试验,结合试验采用有限元对波纹管结构进行了初步力学分析,其研究表明:最大拉应力和压应力均出现在上半圆两个 45方向上,最大拉应力在波峰,最

38、大压应力在波谷。同年,在上海浦东张桥镇工业区、上海市四号线萃朱公路和浦东国际机场专用公路分别安装修建了钢波纹管涵洞,开创了我国钢波纹管涵服务于干线公路25和重大工程的先例 。 2003 年,内蒙交通设计研究院与北京交通大学共同承担了交通部科教司资助项目“公路钢波纹管涵的试验研究与力学性能分析”(项目编号:2003353315060),在内蒙古进行的钢波纹拱涵和圆管涵试验,主要是施工过程中的测试监控和研究,针对不同填土高度和碾压段,测试钢波纹管管周土压力分布情况以及涵身关键位置的应力应变及管顶的竖向变形情况等。结果表明:钢波纹拱涵和圆管涵周围的土压力随着填土高度的增加4 长安大学博士学位论文 而

39、增加,其实测值大于规范规定的土压力设计值。内力的计算可以模拟为平面应变力学26模型,计算结果和实测值的变化趋势基本相同,应力分布呈现出很强的规律性 。 2005年,长安大学的李祝龙结合位于青藏铁路格尔木南山口拉赤台段的两座波纹管涵作了钢波纹管涵洞的力学试验研究。试验测量了在不同工况下路中、路肩和 1/2 边坡位置处的应力应变情况。数据分析表明:管周径向土压力随深度向下有呈三次多项式的变化趋势,管底径向土压力最大,管下部 1/4 处最小;单侧填土对管内部应力影响不大,当填土高度为 0.3m 时,存在较大的应力集中;路中各测点的内侧切向、轴向应力随波形呈周期性变化;波谷外侧切向和轴向应力在管顶为拉

40、应力,管侧为压应27力 。 2005年,北京交通大学的蒋雪梅依托“公路钢波纹管涵的试验研究与力学性能分析”项目的实际工程,选取了其中的一道钢波纹拱涵和两道钢波纹圆管涵进行了现场试验和研究工作。通过测试在不同埋深工况下,钢波纹拱涵各控制断面的土压力分布情况、应力应变以及拱顶的竖向变形情况,并将实测值与理论计算值进行比较分析后得出:对于拼装式钢波纹拱涵,最不利的受力截面是拱脚和管顶截面,对于钢波纹圆管涵,管底截面是最危险截面;随着路基填土的增高,钢波纹管的横向应力分布呈现明显的规律性。但是此现场试验是静力试验,对于动载作用下的钢波纹拱涵和跨度较大的钢波纹拱28涵的力学特性仍需作进一步的研究 。 2

41、006 年,北京交通大学的徐群丽、季文玉以位于青藏线 DK945+849,海拔高度在4200m 以上的一座金属波纹管单孔试验涵洞(孔径 1.5m)为背景,进行新型波纹管涵洞管壁应力的试验研究。施工过程中不同填土高度下,波纹管不同断面和部位应力试验结果表明:各测点波峰、波谷的应力随着填土高度的增加迅速增大,波中点应力的变化不大;波纹管涵洞的控制截面是管顶和管底;最大应力出现在路肩以下的截面,达170MPa。该金属波纹管在施工过程中安全系数为 1.68,在规范允许范围内。将实测土压力作用在裸管上,进行管壁应力理论分析和有限元计算,其结果略大于应力实测值,误差较小,且偏于安全。验证了实测管壁应力和土

42、压力值的正确性,说明理论分析和有29限元分析可用于波纹管涵洞的设计 。 2006年,李祝龙、刘百来、李自武对钢波纹涵洞进行了野外现场试验,测试在施工过程中的不同工况下的数据,然后从不同侧面研究其受力大小、应力集中位置及峰谷之间的关系,通过对力学试验结果进行分析后得出:钢波纹管涵洞的管底径向土压力最大,而管下部 1/4 处的土压力最小;填土高度为 0.3m 时,钢波纹管涵洞的管顶附近5 第一章 概述 在施工活载的作用下会存在较大的应力集中现象。管顶填土 1.8m 及以下时,施工荷载将控制设计;钢波纹管涵洞的管顶、管侧沿着波形(断面)方向呈现出不同的应力应变变化趋势,波峰和波谷处以及内、外侧、切向

43、和轴向的应力应变呈现出管顶与管侧相30反的拉压变化规律 。 2007年,内蒙交通设计研究院与北京交通大学合作进行了波纹小桥模型试验。试验模型位于河北省衡水市景县,根据内蒙古某覆土波纹钢板拱桥按 1:2 的比例微缩后建立,拱圈线型为圆弧型,跨度为 3.7m,拱高为 1.25m。模型使用波纹钢板波形为200mm55mm5mm,拱脚采用 100mm100mm10mm 角钢与基础连接。拱顶填土高度26为 90cm,采用砂土回填,模型沿轴线方向两端有厚度为 25cm 的混凝土挡土墙 。 (3)室内试验方面 1989年,长安大学的王晓谋针对管顶填筑柔性填料的刚性上埋式管道,在室内进行了比较系统的模型试验,

44、获得了柔性填料的变形模量、厚度及管道突出地面高度等因素对管顶垂直土压力的影响规律。进而从管道周围填土的变形入手,以弹性理论为基础,31应用叠加原理推出了新的垂直土压力计算公式 。 2003年,武汉理工大学的彭述权在其硕士论文中按照耶梅里杨诺夫模型,建立了波纹钢板桥涵和土的共同作用模型,将波纹钢板桥涵简化为固支拱结构,按平面应变问题进行计算。按 /.del 方法,将波纹钢板的几何正交异性转化为材料正交异性,计算了其等效材料常数。通过静载试验,从结构的静态应变、相对变形、基础沉降等多个方面,对波纹钢板桥涵的力学性能进行了分析。一方面,用 Matlab 编程,推导了波纹钢板桥涵的内力和位移公式;另一

45、方面,取一个波纹长度的波纹钢板桥涵和土作为分析对象,用大型有限元软件 ANSYS 对湖北洪沙线丰收渠桥涵工程的静载试验进行了模拟数32值计算 。 2004年,魏亚辉、季文玉、李立增为研究金属波纹管作为涵洞的可靠性、安全性和力学性能,做了孔径分别为 1.5m 和 1.0m 的波纹管的室内试验,取路基中部、路肩和边坡中部三个断面进行应力、变形和土压力测试,并与现场试验进行了对比分析。分析认为:波纹管的切向应力随着测点与中性轴相对位置的变化而变化,具有明显的规律性;波纹管结构接近理想的地下结构,在其周围回填土层后形成一个拱形结构和一个弹性层,该弹性层不断的均衡地下压力,但是文中并未考虑土体的承载作用

46、及两者之间的相33互作用,致使试验对比中存在一定的差异,此部分需作进一步的研究 。 2002 年,北京交通大学成功地对整个路堤的施工工程进行了波纹管的室内试验模6 长安大学博士学位论文 拟,试验分别测试了整个加载过程中的波纹管应力情况和变形,通过与理论解、数值解的比较分析,发现波纹管的径向应力分布有明显的规律性,并且理论分析和数值计算都具有很好的可靠性。但对于以下的问题仍需做进一步的研究:进一步做现场试验研究,明确土压力随时间变化的趋势以及与施工工艺的关系;研究动载作用下的波纹管的力19学性能;对钢板厚度、波纹形状等做进一步的优化研究 。 2006年,北京交通大学的潘春风、季文玉以青藏铁路的科研项目为背景,利用室内试验模拟钢波纹管实际结构的受力特点,对所获得的试验数据进行分析,得出钢波纹管在受力过程中应力和变形的变化规律。研究表明:随着荷载的增加,内侧、外侧的应力随之增加,中点的应力变化不大;按试验加载,利用波纹管在集中荷载作用下的内力及变形的理论计算各截面内力,然后由波纹管的截面特性求得各测区应力值的方法以及