管拱形覆土波纹钢板管涵受力性能试验研究

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1、管拱形覆土波纹钢板管涵受力性能试验研究-->1引言1.1覆土波纹钢板桥涵波纹钢板管涵是以钢波纹管(板)和土作为主要建筑材料，通过机械施工将土与钢管密切结合在一起，共同承受公路自身及外界车辆荷载的新型涵洞形式。相比传统刚性的钢筋混凝土和污工涵洞结构，波纹钢板管涵是一种典型的柔性结构，它可以有效地将涵洞上部荷载分散到两侧的土体上，利用土拱效应的优势，形成管一土共同作用体系，减小涵洞受力，从而提高结构的自身承载力。覆土波纹钢板管涵的断面形式多样，图1-1是已建成的实际波纹钢板管涵。作为一种采用新型材料的结构形式，相对于传统的混凝土污工涵洞，此类结构具有明显

2、的优势：(1)波纹钢管涵的截面形式非常丰富，可适用于不同的地形地貌，能满足不同的使用功能和强度要求，因此其用途十分广泛。(2)对地基扰动性小，有很好的适应变形能力。钢材的抗拉性能强优越，能满足一定的变形需求，特别适合用于不良地质条件如软土、湿陷性黄土、冻土等地基承载能力低或者地震多发区。因此，对釆空区等变形较大且易发生不均匀沉降的不良地质地区，钢波纹管涵的应用具有非常广阔的前景。(3)耐久性好，使用寿命长，对环境影响小。国外相关研究表明，键锋覆土波纹钢板管涵结构的正常使用寿命可达75年，且使用期间无需定期维护，就可以满足运营要求；钢波纹管涵洞施工只需

3、要对基础和进出口进行简单处理，减少了对原状地基的扰动和水泥砂石的用量，对环境的扰动小。(4)安装方便，由于波形钢板结构的安装过程是简单的栓接和就位过程，因此，现场安装人员不必经过特殊培训即可迅速上岗操作。(5)有利于改善不良地基下结构物与路堤交界处的"错台现象”，提高道路行驶的安全性，并能大大结构后期运营、养护成本[5]。该结构的断面形式非常丰富，可适用于不同的地形地貌，满足不同的使用功能。通常采用闭口形式的线形，主要包括：圆、水平椭圆、竖向椭圆、管拱、梨形等；如图1-3所示。圆形管涵在各种功能状况下均使用良好，尤其适用于埋深较大的情况下；管拱结构具

4、有水力优势，在填土较薄或在圆管不能满足最小填土高度的情况下适宜釆用，且管拱结构下部曲线较为平顺，与地表有更大的接触面积，一定程度上减小了局部地表压力，而且具有作为行人车辆通道的作用。梨形结构在取最小的埋置深度的情况时可做人行道，机动车道，自行车道使用。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外钢质波纹板通道应用研究较早，1896年美国率先进行波纹板通道、涵管的可行性研究。1931年，在澳大利亚，一座跨度达8米的埋入式波纹钢板结构的汽车通道被修建完成。此后此项结构不断得到应用，到20世纪70年代，国际波纹钢管联合组织（NCSPA)发展迅速，仅在美国

5、就有130多家波纹钢管制造厂，波纹钢管结构被广泛应用于桥涵、过水管和其他排水系统中。随着钢材行业不断发展、制造技术的不断改进，波纹钢管涵的理论和实验研究也不断深入，1993年GeorgeAbdel-Sayed等出版了关于埋入式波纹钢板结构的专著，相应的设计方法也不断创新，波纹钢板已经被广泛应用到道路工程的桥涵结构上，特别是1988年后，高强度、大波形波纹钢板的使用，使该结构的适用跨度不断增大，国外已建成跨度24米的覆土波纹钢板结构。1896年开始，美国交通部开展了针对覆土波纹钢管涵结构的可行性研究，并首先将其应用于公路桥涵中。1913年，美国爱荷华州

6、立大学教授Marston等与美国交通部共同开展了对覆土波纹钢板管涵使用性能的研究。1923年，美国铁路工程协会（AREA)在伊利诺斯州中央铁路沿线针对覆土波纹钢管涵作了一系列的现场试验，测试结果表明：柔性覆土波纹钢管结构仅仅承担结构上部土柱荷载的60%,余下的40%则由管涵两侧周围的土体来承担。通过对波纹钢结构承载力的一系列研究，得出了通过变形控制来进行覆土波纹钢管涵结构设计的爱荷华公式(TheIoula,1930).由于此公式只适用于直径小于3m的管涵，因而现在较少用于设计了[10]。从1970年开始，有限元数值模拟方法不断发展并逐渐成为结构受力分

7、析不可或缺的工具大量学者利用有限元数值方法对波纹钢管涵结构的力学特性进行了详细的研究。有限元模型也从起初的二维平面应变模型发展为更为复杂的三维模型，对材料的模拟也逐渐从弹性逐渐过渡到塑性。1979年Smith、Katona、Odello等学者共同幵发了用于管涵研究和设计的有限元程序CANDE(CulvertANa丨ysisansDEsign)。有限元数值模拟技术的不断发展，为结构受力分析提供了更为科学可靠的工具，从而也推动了此类结构更加广泛的应用。2依托工程概要及试验设计方案2.1依托工程概要论文依托新泰市采空区某大桥，通过现场监控等技术手段，研究管

8、拱形波纹钢管涵在施工过程中的实际受力状况，总结此类结构的变形、土压力和应力变化规律，并分析多孔排列下管涵与单