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大孔径公路装配式波纹钢拱型涵洞特性研究

大孔径公路装配式波纹钢拱型涵洞特性研究

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作者：欧阳丽娜安徽建筑大学

学位级别：硕士

波纹钢拱型涵洞具有自重轻,安装便捷,可工业化生产等优点,在我国甘肃、内蒙等西部地区应用较广。近年来,该种涵洞结构在中东部地区也得到成功应用。目前,国内外对波形钢结构涵洞的研究主要集中在圆形截面,对大跨径波纹钢拱型涵洞施工回... 详细信息

波纹钢拱型涵洞具有自重轻,安装便捷,可工业化生产等优点,在我国甘肃、内蒙等西部地区应用较广。近年来,该种涵洞结构在中东部地区也得到成功应用。目前,国内外对波形钢结构涵洞的研究主要集中在圆形截面,对大跨径波纹钢拱型涵洞施工回填、运营期间车辆荷载等工况下的受力与变形特性少有研究。为此,开展大跨径波纹钢拱型涵洞施工回填与长期使用状态下的受力与变形特性研究,对今后科学设计与施工该种结构具有重要理论意义和应用价值。本文以无岳高速公路桐城至岳西段工程为背景,采用数值模拟和现场监测相结合的研究方法,研究了大跨径波纹钢拱型涵洞填土施工结构变形特性,分析壁厚、车辆荷载和截面形状等因素对该种结构环周竖向、横向变形,及波峰、波谷应力变化规律影响。本文主要研究内容与结论如下:(1)对波纹钢拱涵的荷载作用方法进行了研究。讨论了中国《公路桥涵设计应用规范》(JTGD60-2015)和加拿大《公路桥梁设计规范》对波纹钢拱涵结构荷载计算的合理性,并结合实际工程进行了计算分析。结果表明:加拿大《公路桥梁设计规范》中考虑了土与结构相互作用的影响,使用了土拱系数来反映填土中的反拱作用,结果与实测值吻合程度高,故本项目波纹钢结构荷载采用加拿大《公路桥梁设计规范》。(2)依托实际工程,采用Abaqus数值模拟软件,建立了大断面拱型覆土波纹钢通道的有限元模型,分析了回填施工过程中拱涵的受力和变形特性,并与现场实测结果进行了对比。结果表明:在拱型管涵的回填施工过程中,有限元计算结果与现场实测结果的变化趋势基本一致,波纹钢拱型涵洞经历了先下沉,再上拱,后下沉;先受压,再受拉,后受压的变化过程;实测结果的应力变形值大于有限元模拟计算值,最大受拉区发生在拱腰位置,最大受压区域发生在为拱肩至拱顶位置;涵洞的最大竖向位移为11.1mm,发生在拱肩位置,相当于设计管径的0.15%,在设计允许变形的范围内。(3)研究了不同涵洞形状、壁厚,及车辆荷载对其相对变形、等效应力的影响。结果表明:波纹钢圆管涵的拱腰处内凹大于拱型波纹钢管涵,填至管顶后,拱型波纹钢管涵的外凸值大于圆管涵;最佳波纹拱涵的壁厚为7mm,既能提高结构承载力,减少变形,又能提高经济适用性,避免工程浪费;在车辆荷载作用下,由于力的相互传导性,波谷的应力略大于波纹,荷载在结构承载力范围内出现上下波动的情况,说明了波纹钢结构由于波纹的存在能更好的分散受力与变形,体现了波纹钢拱型涵洞结构材料优势与结构特点,为管涵回填施工工艺的设计提供理论支撑及可供实际工程参考的波纹设计技术参数。图[37]表[9]参[64]

关键词：大断面拱型波纹管涵受力变形数值模拟,车辆荷载

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