填土高度对钢波纹管涵洞预拱度设置影响的研究

摘要

近年来，伴随着我国的科学技术不断提高以及钢铁行业的持续发展，钢材质结构物越来越多的被广泛应用于实际工程当中。其中，公路、铁路等交通工程因其工程项目的复杂性及多变性，其对使用和建造的结构物提出了更高的适应性要求。钢波纹管涵洞因其具有的诸多优点及相关特性，大量的被用于交通工程的建设当中。该类结构物的耐久性、安全性、适用性等得到了实际工程的验证，且人们也开始重视起该类结构物的研究及发展。目前国内外对波纹管涵洞的研究方向和内容都较为集中，主要在钢波纹管结构的防腐问题，冻土地区冻融循环对涵洞的应变应力的影响及管体周围的土体对波纹管涵洞的综合影响以及钢波纹管涵的受力变形的研究上，对钢波纹管管涵洞预拱度设置的研究较少。
　　钢波纹管涵洞采用的制造工艺和技术为将纵向截面为波纹形状的钢整管或波纹状形状的钢片、钢板，通过拼装、连接成波纹整管。钢波纹管涵洞因其特有的构造型式，即沿管轴截面为波纹形状，故使其在受荷作用下具有优良的受力变形特征。管涵在正常使用中将在受力和基础沉降的作用下发生变形，若预拱度设置过大，管体呈上拱曲线，将不能充分发挥钢材的抗拉，抗压，抗剪的力学性能，并且对改善管体的整体位移情况和变形恢复性能不利，从而会对钢波纹管涵洞正常使用造成影响;在现场工程的正常使用中，若预拱度设置不足，会导致涵洞过水不畅，管中存在大量积水，使得波纹管钢材和涵洞基础长期浸泡于水中，对两者的变形和受力不利，从而会对涵洞的使用年限造成影响、减少其正常使用的寿命。预拱度设置不足或预拱度设置过大都会对钢波纹管涵的变形产生不利的影响，故需开展工作研究并找出合理的预拱度设置值，用以指导实际工程。
　　本课题以江西省万宜（万载-宜春）高速公路的波纹管涵洞为研究对象抽取5个涵洞现场实测用以数值分析。具体标段为CK0+243段，K28+620段，K140+220段，MRK33+240段，MRK33+490段。同时，通过室内有限元模拟分析不同工况下的钢波纹管涵洞的受力情况，经数值分析后，找出钢波纹管涵洞的预拱度设置规律并给出相应回归公式以供实际工程设计及施工参考。本文为室内模拟部分。通过建模分析，本课题研究找出了波纹钢板与钢板建模的等效问题的处理方法以及通过多组室内模拟实验验证了建模中下部土体对数值分析精确度的影响并得出解决该类问题的相应的对应关系。最后经数值分析和现场实测数据对比得出结论及相关预拱度设置公式。波纹管预拱度设置时，填土高度为主要影响因素;预拱度的设置值随填土高度的增高而增大。

目录

摘要

1 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 钢波纹管涵洞国内外研究现状及意义

1．2．1 国外研究现状与发展动态

1．2．2 国内研究现状与发展动态

1．2．3 钢波纹管涵洞的优点

1．3 本文研究的目的和内容

1．3．1 本文的研究目的

1．3．2 本文的研究内容

1．4 研究方法和技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

2 预拱度研究理论与方法

2．1 概述

2．2 ANSYS软件简介

2．3 创建涵洞模型

2．3．1 单元蒺；型和材料的选取

2．3．2 创建有限元模型

2．3．3 网格划分、荷载和边界条件

2．4 波纹管涵在有限元模拟计算中的等效研究

2．5 模型下部土体的研究

3 现场实测与模型可行性分析

3．1 工程概况

3．1．1 工程背景

3．1．2 工程及实验现场情况

3．2 现场试验

3．2．1 实验仪器及方法

3．2．2 实测数据

3．3 室内模拟

3．3．1 建模方法

3．3．2 现场试验与室内模拟对比分析

3．4 本章结论

4 钢波纹管涵洞有限元分析

4．1 概述

4．2 有限元模拟计算研究

5 结论

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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