大断面公路波纹钢-混凝土组合拱涵受力特征研究

作     者：杨语翔 

作者单位：安徽建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘洋

授予年度：2024年

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：波纹钢板-混凝土组合结构 回填施工 车辆荷载 螺栓连接 ABAQUS 

摘      要：波纹钢板作为一种新型的结构形式,目前被广泛应用于公路管涵中。然而在大断面、浅埋深等不利工程背景下,其结构变形量较大。为了提高波纹钢板的承载能力,使其能适应复杂不利因素的影响,本文以安徽省无岳高速公路(桐城至岳西段)八标段的一座装配式拱形波纹钢管涵为依托工程,研究波纹钢板与混凝土的组合结构形式,通过现场分析和数值模拟,探讨了该结构在公路管涵工程中的应用。本文主要研究内容及成果如下: (1)通过连接单元的方式,对拼装式波纹钢管的螺栓连接部位进行简化建模,对比添加螺栓连接部分前后,单波纹钢拱涵与波纹钢板-混凝土组合结构拱涵整体应力分布变化情况,同时研究连接部分的应力分布情况。结果表明:螺栓连接的引入对结构的整体稳定性并未造成过度的影响,结构在受力过程中保持了良好的性能。对于单波纹钢结构拱涵,在拱肩搭接段的螺栓连接处,波峰应力整体较波谷应力更大,且波峰应力接近Q345钢材的屈服应力。与此同时,波谷处的一些螺栓孔周应力集中现象明显,已经超过了钢材的屈服应力,表明该结构形式仅在回填施工阶段可能发生破坏,无法满足工程需求,故采用波纹钢板-混凝土组合结构是必要的。 (2)在组合结构回填施工阶段,通过布置提前安装的应变片和土压力盒等测量仪器,收集结构的应力、土压力以及位移等数据。在组合结构的回填施工和路面施工完成后,监测结构在车辆荷载下的位移变化。结果表明:在波峰位置,随着填土高度的增加,应力分布呈现明显的变化。当填土高度低于组合结构中线时,从结构侧板拱脚处到顶板中点,波峰应力经历了先增大后减小再增大的趋势;在波谷位置,组合结构的应力分布情况随填土高度的增长变化趋势相似,均为先上升,后下降,再上升。 (3)在车辆匀速通过组合结构顶部的试验中,整体竖向位移呈先下降后上升的趋势,最终回到初始位置。这表明在规范允许的车辆荷载下,波纹钢板-混凝土组合结构处于良好的弹性变形阶段。即使在最不利的受力情况下(重型荷载长期作用在组合结构顶部),组合结构依然能够维持良好的结构稳定性。 (4)通过ABAQUS有限元软件,对回填施工过程及车辆荷载试验进行模拟,对比测试结果与有限元计算结果,更加直观的了解了波纹钢板-混凝土组合结构拱涵在回填施工中及运营期车辆荷载下的受力位移变化情况,结论表明:在回填施工与车辆荷载的模拟中,有限元计算结果与实测结果的变化趋势基本相符。尽管由于现场施工环境的复杂性,实测结果存在较大的波动,但整体而言其规律性较为一致。总体上对比应力及位移曲线图来看,有限元模拟结果基本符合预期。