高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究.pdf

学校代号： 学号： 密级： 1 0 5 3 2 s l l o l l l 5 7 公开 湖南大学硕士学位论文 - _ - | 一 口 同填土大跨径钢波纹管涵的 力学性能与设计方法研究 s t u d yo nm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dd e s i g nm e t h o do fh i g h b a c k f i l la n d l o n g - s p a nc o r r u g a t e ds t e e lp i p e s b y l i a ox i n b e ( n o r t hc h i n au n i v e r s i t yo fw a t e rr e s o u r c e sa n de l e c t r i cp o w e r ) 2 0 11 at h e s i sr u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c i v i le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n g y a n g m a y , 2 0 1 4 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期沙7 啤月j 怕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 日期：洳7 月怕 i ii i i ： t 够年乡月，够日 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 摘要 目前的涵洞主要是钢筋混凝土结构，但由于施工繁琐、工期长，而且在使用 的过程中会经常出现混凝土板开裂、基础沉降等病害，尤其在高填土路基下更为 明显，严重影了响结构的正常使用和交通运输安全。因此寻找一种施工简单、承 载力强且又经济适用的结构成为工程技术人员的重要任务。 钢波纹管涵结构有效地避免钢筋混凝土结构缺点和不足，该结构有着以下几 方面的优势：( 1 ) 结构承载能力大，抗变形能力和基础适应能力强：( 2 ) 施工速 度快，能大幅缩短工期；( 3 ) 与混凝土结构相比造价低，管径越大越经济。 本文主要研究内容及成果如下： ( i ) 采用a n s y s 有限元建模方法对钢波纹管涵洞进行了数值计算，分析结 构在不同施工工况、不同参数、恒活载作用以及地基沉降下的受力特点、变形规 律和周围土压力变化情况，结果表明：波纹大小对管涵性能都有一定的影响，板 厚主要影响结构受力，填土模量对受力和变形影响都较大。当管顶填土达到1 4 m 以上时，管涵的受力和变形明显变缓，活载在管顶填土达到9 m 左右时可以忽略 不计。不对称回填在填土的初始阶段对钢波纹管涵结构的影响最大。一定范围内 的地基沉降对管涵的影响不是很大，说明管涵适应地基的能力良好： ( 2 ) 对高填土下的钢波纹管涵进行现场试验力学性能研究，研究钢波纹管涵 在施工阶段的受力和变形变化规律。试验结果表明：管顶填土将形成土拱效应， 并随着填土高度的增加逐渐变大，有效地缓解了结构受力和变形的变化，有利于 改善结构受力状况； ( 3 ) 将有限元计算结果与实测数据作对比，结果表明计算结果与试验数据吻 合度较好，误差基本满足要求，并通过分析总结提出合理的工程设计方法和施工 建议，比如波形的选择，管涵环向拼装缝位置的设计等； ( 4 ) 通过研究对比国内外各种钢波纹管涵规范，结合工程的实际情况，对现 有的钢波纹管设计计算公式进行修正、优化，为国内对钢波纹管涵的设计研究提 供一定的参考价值。 关键词：高填土；大跨径；钢波纹管涵；力学性能；设计方法 硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm o s tc u l v e r t sa r er e i n f o r e e dc o n c r e t es t r u c t u r e s ，b e c a u s er e i n f o r c e d c o n c r e t es t r u c t u r e sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u s s ya n dl o n gc o n s t r u c t i o np r o c e s s ， e a s i l yc r a c k i n ga n df o u n d a t i o ns e t t l e m e n ti nu s e ，e s p e c i a l l yi nt h ec o n d i t i o no fh i g h b a c k f i l li nt h er o a d b e d ，t h en o r m a lu s eo ft h es t r u c t u r ea n dt r a n s p o r t a t i o ns a f e t yi s a f f e c t e ds e r i o u s l y l o o k i n gf o rak i n do ft r u c t u r ew i t hb r i e fc o n s t r u c t i o np r o c e s s ， p o w e r f u lb e a r i n gc a p a c i t ya n dg o o de c o n o m i cp e r f o r m a n c eb e c o m e sa ni m p o r t a n t t a s kf o rt h et e c h n i c a lp e r s o n n e l s t e e lc o r r u g a t e dp i p es t r u c t u r e so v e r c o m et h es h o r t c o m i n g sa n di n s u f f i c i e n c yo f r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e se f f e c t i v e l y ，a n dt h e yh a v et h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：( 1 ) h i g hb e a r i n gc a p a c i t y ，s t r o n gr e s i s t a n c et od e f o r m a t i o na n df o u n d a t i o ns e t t l e m e n t ( 2 ) s h o r t e n i n gt h et i m eo ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ( 3 ) l e s sc o s t ，e s p e c i a l l yw h e nt h e d i a m e t e ro fc u l v e r ti sl a r g e r i nt h i sp a p e r ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w i t hu s i n ga n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o df o rt h en u m e r i c a lc a l c u 1 a t i o no f s t e e lc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t ，t h es t r u c t u r em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，d e f o r m a t i o n r e g u l a r i t y ，e f f e c to fl i v el o a da n dc h a n g e so ft h eb a c k f i l lp r e s s u r ea b o u td i f f e r e n t c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa n dd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r ea n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ， t h es i z e so ft h ec o r r u g a t e d p i p ec u l v e r t sh a v eac e r t a i ne x t e n ti n f l u e n c eo nt h e i r p e r f o r m a n c e ，t h ep l a n kt h i c k n e s sa f f e c t st h es t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h es t r u c t u r ea n dt h e f i l l b a c km o d u l u sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ns t r u c t u r ef o r c ea n dd e f o r m a t i o n ，h o w e v e r ， w h e nt h ef i l l b a c kr e a c h e s14 m ，t h ef o r c ea n dd e f o r m a t i o nw o u l d n tc h a n g ea n ym o r e l i v el o a d i n gc a nb en e g l e c t e dw h e nt h ef i l l b a c ko nt h et o pt u b er e a c h e sa b o u t9 m i n t h ei n i t i a ls t a g e so ff i l l b a c k ，u n s y m m e t r i c a lb a c k f i l lh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h es t e e l c o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t s ，b u tf o u n d a t i o ns e t t l e m e n td o e s n th a v eo b v i o u se f f e c t so ni t ( 2 ) f i e l de x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nt h es t e e lc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r tw i t h h i g hf i l l e de a r t ha b o u tr e s e a r c h i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，i n c l u d i n gt h es t r e s sa n d d e f o r m a t i o no fs t e e l c o r r u g a t e d p i p ec u l v e r ti n t h ec o n s t r u c t i o n p h a s e t h et e s t o u t c o m es h o w s ：w i t hi n c r e a s i n gt h eh e i g h to ff i l l b a c k ，s o i l - a r c he f f e c tb e t w e e nt h e s t r u c t u r ea n ds o i lw i l lb ef o r m e dg r a d u a l l ya r o u n dt h es t e e lc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t s ， w h i c hr e l i e v e st h es t r u c t u r es t r e s sa n dd e f o r m a t i o ne f f e c t i v e l y ，a l s oi m p r o v e st h e s t r e s ss t a t eo fs t r u c t u r e i i i 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 ( 3 ) c o m p p a r i n gt h ef i n i t e e l e m e n tc a l c u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s td a t a ，t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ee r r o r sa r ew i t h i nt h ep r e s c r i b e ds c o p e b a s e do nt h es u m m a r y a n a l y s i s ，s o m e r e a s o n a b l e d e s i g n m e t h o d s a n dc o n s t r u c t i o ns u g g e s t i o n sa r ep u t f o r w a r d ，s u c ha st h ec h o i c eo ft h ew a v e f o r mf o rc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t ，t h ed e s i g no f t h es e a ma b o u tr i n gt oa s s e m b l ep o s i t i o ne t c ( 4 ) c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ep r o j e c t ，t h ee x i s t i n gf o r m u l ao f s t e e lc o r r u g a t e dp i p ed e s i g nm e t h o d sa r ea m e n d e da n do p t i m i z e db yc o m p a r i n ga l l k i n d so fs t e e lc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r tc o d e s i tc a np r o v i d eac e r t a i nv a l u er e f e r e n c e f o rd o m e s t i cr e s e a r c h i n go nd e s i g no ft h es t e e lc o r r u g a t e dp i p ec u l v e r t s k e yw o r d s ：h i g hb a c k f i l l ；l o n gs p a n ；s t e e lc o r r u g a t e dp i p e s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； d e s i g na p p r o a c h i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 概j 苤1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状5 1 3 本文的研究思路及主要内容8 1 3 1 研究思路8 1 3 2 研究内容8 第2 章钢波纹管涵结构的有限元计算与分析9 2 1 依托工程概述一9 2 2 有限元模型建立1 0 2 3 施工阶段模拟分析1 1 2 3 1 施工过程1 l 2 3 2 施工过程有限元分析结果1 2 2 3 3 施工过程结果分析1 3 2 3 4 不对称回填施工模拟分析2 0 2 4 参数影响分析2 2 2 4 1 波形参数2 2 2 4 2 钢板厚度2 4 2 4 3 土体弹模2 5 2 4 4 管项填土高度2 6 2 5 地基不均匀沉降影响分析2 7 2 5 1 最大水平位移2 7 2 5 2 最大竖向位移2 9 2 5 3 最大等效应力2 9 2 6 本章小结3 0 第3 章钢波纹管涵现场测试与分析3 2 3 1 试验涵洞概况3 2 3 2 测试内容3 2 3 2 1 测点总体布置方案3 3 v 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 3 2 2 实验步骤3 4 3 3 测试结果分析3 6 3 3 1 竖向变形3 6 3 3 2 水平变形3 8 3 3 3 切向应变3 9 3 3 3 径向土压力4 3 3 4 结果对比分析和工程建议4 5 3 4 1 概j 盔4 5 3 4 2 与现场试验成果对比分析4 5 3 4 3 工程设计与施工建议4 8 3 5 本章小结4 9 第4 章钢波纹管涵的结构设计与计算方法研究51 4 1 概述51 4 2 国内外设计规范5l 4 2 1 加拿大c h b d c 设计规范5l 4 2 2 美国a a s h t o 设计规范5 5 4 2 3 美国a i s i 设计规范5 7 4 2 4 公路桥涵设计通用规范5 9 4 2 5 各国规范对比6 1 4 3 本文试验管涵的设计和计算方法6 2 4 3 1 本文的设计和计算方法6 2 4 3 2 各国设计和计算方法结果对比6 3 4 4 本章小结6 4 结论与展望6 5 参考文献6 7 致 射7 0 v i 硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 涵洞作为一种地下结构物是公路工程的重要组成部分，约占公路桥涵总数的 4 0 左右j ，而且在工程造价方面，也占有相当的比重。目前的涵洞结构主要是 钢筋混凝土或圬工结构，因其强度高、承载性能好、造价低、适合当时国民经济 建设要求等优势。但大量工程实践证明混凝土涵洞的缺点也十分明显：圬工量大、 施工繁琐、工期长( 一般2 7 个月) ，而且在使用的过程中会经常出现混凝土板 开裂、基础沉降等病害，严重影响结构的正常使用和交通运输安全。据现有的调 查资料表明，正在服役的钢筋混凝土涵洞多半已经出现裂缝，而裂缝产生的形式 与原因多种多样，比如裂缝的形式以纵向的裂缝为主；开裂的比例随着涵洞跨度、 涵顶的填土高度以及处理涵洞地基的好坏程度成正比：因施工不当造成涵侧和涵 顶的填土压实不均匀，都会导致涵洞出现开裂现象。这也在一定程度说明了我国 的施工技术规范和公路涵洞设计规范从设计理论到施工工艺都有着一定的局限性。 涵洞按照其构造形式一般可以分为管涵、拱涵、盖板涵、箱涵等。涵洞形式 的选取不仅仅要考虑经济方面的因素，还要根据工程现场的材料因素，地形因素， 水陆交通和水利灌溉因素等来综合评定【2 】。近年来，很多公路在运营期间都不同 程度地受到了涵洞的病害影响，尤其是在高填土路堤下的大跨径涵洞，其出现的 病害问题更加普遍严重。根据有关资料，涵洞在结构设计的过程中，经常会受到 安全系数的蒙蔽，导致其设计的土压力偏小，这必将会导致涵洞破坏；除此之外， 由于实际工程中施工工艺的不成熟或者错误应用，从而致使涵洞在正式投入使用 之前就已经遭到损坏。 钢波纹管涵是采用截面形式为波纹形状制成的圆钢管并通过分片拼装或整体 制作而成的一种涵洞形式。是一种典型的空间薄壳柔性结构，波纹使其具有良好 的受力性能( 轴向和径向同时承载) 和补偿横向位移特征【3 】，能充分发挥钢材强 度高、变形大的优点。钢波纹管涵( 见图1 ) 填土后可用来代替钢筋混凝土涵洞， 其工作原理：波纹钢管与周围填土发生相互作用，形成一个拱形结构和弹性层组 合的复合结构，该结构既柔韧又结拱成型受力【4 】；弹性层能不断均衡土压力，将 荷载分散到两侧的土体上；周围土体在钢波纹管涵四周形成若干支撑点，提高了 钢板的自身承载力。 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 图1 1 钢波纹管涵洞图 与传统的钢筋混凝土管涵相比，钢波纹管涵具有以下优势1 5 - 1 0 ： ( 1 ) 钢材强度高，并可利用波纹提高力学性能；结构尺寸小，自重轻。 ( 2 ) 具有良好的环向刚性和轴向柔性，抗变形能力和基础适应性强，能满足 不良地质的特殊要求：土钢相互作用使结构受力合理、荷载分布均匀，整体柔性 大幅提高了结构的疲劳性能和抗震能力；且无混凝土的收缩徐变和温变开裂等问 题。 ( 3 ) 具有更好的耐久性。大量工程实例表明，镀锌钢波纹管涵使用寿命完全 能够达到5 0 10 0 年，目前已有百年以上的结构仍在服役。 ( 4 ) 工厂化加工与现场拼装分开实施，大幅缩短工期( 一半以上) ：且施工 不受温度和坏境的影响，延长了可施工期。 ( 5 ) 运输和现场拼接施工，均无需大型机械设备、大部拼接只需手工操作即 可，施工方便快捷、易于操作，且有利于降低成本、控制质量。 ( 6 ) 工程实践表明，钢波纹钢管涵工程造价比同跨径的钢筋混凝土或圬工涵 洞低；尤其对于不良地质、地形区域，经济效益更为可观。 ( 7 ) 适用性强：钢波纹管涵能够适用于各种复杂的地形和地质条件，特别适 用于冻土、膨胀土、软土、湿陷性黄土、高填方、采空区等特殊地段和地震多发 区。 ( 8 ) 避免错台跳车：桥头无刚度差异引起的不均匀沉降问题，有利于改善结 构物与路堤交界处的“错台和跳车”现象，提高了行车的舒适度与安全性。 ( 9 ) 减少或根本舍弃了水泥、木、沙石等常规建材，并合理利用弃土( 渣) ， 对环境的破坏程度较小，且噪音和震动小，有利于环境保护、降低碳排放量。 ( 1 0 ) 镀锌钢波纹管涵耐腐蚀性较强，且结构不需设置伸缩缝和支座等易损 部件，因此结构在后期运营中几乎不用维护。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 钢波纹管工业的发展已有一百多年历史【6 】，钢波纹管于1 7 8 4 年最早诞生于英 硕士学位论文 国，出现了第一台轧制钢波纹板专用设备，但由于当时钢板供给不足，钢波形板 未能及时推广。直到l9 世纪末，钢波纹结构才开始迅速发展。l8 9 6 年，美国的 一位名为t a n c l ys i m p o n 的建筑工程师提出钢波纹管此类结构的想法，随后美国 率先进行了钢波纹管通道、涵管的可行性研究，并首次应用于涵洞。2 0 世纪初， 首条钢波纹管涵洞被应用于英国苏格兰爱丁堡近邻的农田灌溉。1 9 2 9 年，加拿大 首座波纹钢管通道应用于一煤矿建设之中。1 9 3 1 年，澳大利亚首次建成8 m 波纹 钢管汽车通道一座。随后，钢波纹钢管结构物在美国、加拿大、日本、澳大利亚、 西欧等国家广泛应用于公路和铁路建设中【l ，韩国于1 9 9 7 年开始研究应用波纹 钢管涵洞，随之被广泛应用于隧道、小桥建设中，现已相继修建了2 0 0 0 多例钢波 纹管涵结构。目前非洲多数国家在基础设施建设中也大量使用波纹钢管涵洞。随 着结构的不断应用和修建经验的积累，一些国已制定了填土钢波纹管涵的设计、 制造及施工安装手册和标准规范，提出了波纹钢管涵设计方法【l 卜1 4 】。如日本标准 波形钢管及波形型材( j i s g 3 4 7 卜1 9 7 7 ) ；韩国公团的波形钢板结构物设计 及施工指南( 2 0 0 4 年) ；美国钢铁研究协会a i s i 于l9 9 9 年出版的m o d e r ns e w e r d e s i g n 系统地讨论了钢波纹管在涵洞和排水管道中的应用、设计和施工；加拿 大2 0 0 2 年的( h a n db o o ko fs t e e ld r a i n a g e & h i g h w a yc o n s t r u c t i o np r o d u c t s ) ) ， 系统地总结了钢波纹管涵的构造、水力计算、应用、结构设计、施工和养护方法。 国外钢波纹管涵如下图所示。 图1 2 国外钢波纹管涵图 国外对钢波纹管涵结构的理论研究起步较早。早在1 9 1 3 年，美国土木工程协 会( a s c e ) 主席马斯顿( a m a r s t o n ) 教授，在其首次发表的关于上埋式管道的 土压力理论论文中，提出“等沉面”土压力理论，揭开了对上埋式管道土压力研 究的序幕。 l9 2 3 年，美国铁路工程协会( a r e m a ) 在伊利诺斯州的中央铁路进行钢波 纹管通道的测试，这次测试证明了埋入式结构存在着明显的土钢相互作用，起先 土体会作为一个弹性层均衡地调整上部荷载，当埋置深度达到足够深时，管涵周 围的土体会形成应力环来分散上部的荷载，实测结果表明，对于填土高度达到3 5 m 的圆管涵，钢波纹管只承担了上部土压力的6 0 ，而相邻的土体承担其余的土压 力。二次世界大战以后，引进了被周围土压力支撑的压应力环的概念，这个基本 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 的概念与经验相互兼容，而且提供了一条合理的设计准则途径。 19 6 0 年美国犹他州立大学在a i s i 的赞助下，通过研究得出的环向压力理论， 认为：随着上部填土垂直载荷的增加，管涵通过挤压两侧土体获得被动土压力， 管道周围土压力分布趋于均匀。这个革命性的理论使得波纹钢结构中土与结构相 互作用的研究前进了一大步。 1 9 6 5 年，f o r r e s t a l 和h e r m a n n 通过运用连续介质的力学理论分析了圆管涵在 弹性连续介质中的受力状态，并得出了屈服压力公式。 1 9 7 5 年，在加利福利亚州进行了一项名为d b 涵洞的著名研究项引1 5 】， 该管涵的直径为3 m ，厚度为2 8 m m ，填土高度为6 l m 。这是目前唯一的一个没 有安全设计并且在预料中要破坏的钢波纹管涵洞试验。从试验中所采集的数据为 新的结构设计方法的确认和发展提供了重要的参考依据。 1 9 7 8 年，d u n c a n 提出波纹钢管涵土钢共同作用设计方法，利用由有限元分 析得出的图表与公式来进行设计【16 | 。 1 9 8 7 年，m o o r e 发现f o r r e s t a l 和h e r m a n n 得出的屈服压力公式算得的的屈曲 力过大，于是在原有的公式上引入了一个折减系数( 巾= o 5 5 来) ，并且在公式加 入反映浅埋的影响和涵洞的形状的两个参数使理论值与试验相吻合。 19 9 2 年，g a b d e ls a y e d 用有限元模拟分析了一个考虑恒载与活载共同作用 的弹性介质模型的管涵稳定问题，发现用m o o r e 于1 9 8 7 年修正的管涵屈服压力 公式计算得到的屈曲应力仍然偏大，原因是公式并没有考虑到如何对结构施加实 际活载【1 7j 。 2 0 0 8 年，t e r u h i s am a s a d a 、s h a ds a r g a n d 、a n d r e wm o r e l a n d 在俄亥俄州对 2 0 0 1 - 2 0 0 2 年间修建的一个6 4 m 直径的钢波纹管涵进行了有限元数值模拟。通 过把现场试验采集的数据和有限元模拟分析的结果进行了对比分析得到：一般在 施工结束一年后，钢波纹管涵的性能已趋于稳定；钢波纹管圆周有缩小的现象， 这有利于减小管涵上部填土的负荷，但其缩小量不可以过大，否则就会影响到结 构的稳定性和管涵的排水能力；对于钢板的腐蚀裂缝、螺栓材料的恶化、管道变 形等每年都需要进行一定的检查评估【18 1 。 通过以大量的理论和试验研究为基础，国外在工程应用技术上也已经取得了 很多成果。美国加利福尼亚州调查了数百道涵洞的条件，并得出了预估寿命与p h 值和电阻率的方法和设计图，研究考虑了钢波纹管涵洞方面在土壤腐蚀、水腐蚀 的联合效应下的耐久性问题，且这些涵洞未作特殊维护处理。 19 7 8 年，美国钢铁学会( a i s i ) 针对8 1 道钢波纹管进行了调查。研究表明： 8 l 道雨水管中7 7 道保持良好状况。雨水管的使用时间为l6 6 5 年。4 道需要维 修的平均使用3 2 年，1 道处于极端腐蚀的环境中，电阻率只有2 6 0 q c m ，大幅度 低于极小值。 硕士学位论文 1 9 8 7 年，m i c h a e lg k a t o n a 、a d e ly a k l 深入探讨了金属波纹管的圆周槽螺 栓孔连接应用技术。通过对土体一结构形成的整体和开槽螺栓孔进行受力分析， 对用开槽螺栓连接的钢波纹管的设计方法、适用范围、设计步骤以及说明进行进 一步的详细阐述，该设计对于回填质量高和大管径波纹管涵的适用效果比较好， 不过对于回填质量低和小直径的涵洞不大适用。此外，对标准管道弯曲应变的设 计标准也可能过于保守i l 引。 1 9 9 0 年，j o h nc p o t t e r 对纯镀铝的钢波纹管涵洞、纯镀锌的钢波纹管涵洞和 镀铝锌的钢波纹管涵洞的使用寿命进行了研究。不过由于测试的涵洞使用时间只 有七年，所以对所得数据进行分析并采用“加州法”对管涵的使用寿命进行评估， 结果表明：( 1 ) 沥青涂料对增加钢波纹管涵洞的使用寿命作用很小，不是很经济； ( 2 ) 对波纹管涵洞暴露在外的前七年，用“加州法”计算的镀铝管平均使用时间 是镀锌管的6 倍【2 。 目前国外钢波纹管涵的设计和施工技术已经非常成熟，已有相当数量的钢波 纹钢管涵超过了设计年限仍在服役。从国外的研究情况看，相对于金属波纹管涵 洞的受力研究，国外研究的主要侧重点在防腐问题上，设计多为较保守的经验方 法【2 列。直到现在，埋式钢结构在恒载和活载作用下的力学行为仍是一个有待研究 和发展的问题。 2 0 世纪9 0 年代，随着大波形板材的使用、实际工程的需要以及大跨度钢波 纹管( 板) 涵洞的研究应用逐渐成熟，钢波纹管( 板) 结构的跨越能力得到了提 升了，而且填土高度也逐渐变大，结构开始向高填土大跨径趋势发展。国外填土 钢波纹管涵洞最大跨径已达到2 0 m 以上，填土高度早已经超过3 0 m 。这与传统钢 筋混凝土管涵和小桥的竞争优势较为明显。 1 2 2 国内研究现状 在我国，建国前及建国初期我国就己开始了金属波纹管涵洞的应用。二战时， 从美国进口的金属波纹管涵洞应用于抗日战争时期的滇缅公路。19 4 8 年，从美国 进口的钢波纹管涵应用于上海浦东的军事便道。解放后由于诸多因素、波纹钢管 涵未能广泛应用，直至2 0 世纪9 0 年代末我国才逐步开展公路波纹钢管涵的生产 和应用：1 9 9 7 1 9 9 9 年青藏公路采用波纹钢管涵解决了多年冻土区涵洞融沉和冻 胀破坏的难题，随后青海和西藏开始大量使用；2 0 0 1 2 0 0 3 年青海省在青康公路、 宁党公路、西宁久治公路等工程中应用波纹钢管涵近4 1 8 道；黑龙江的省道2 0 7 为解决大兴安岭多年冻土区涵洞基础稳定性问题，修建了1 0 0 余道无基波纹钢管 涵洞【2 l j ；l9 9 8 年上海四号线、浦东国际机场中采用了钢质波纹板通道，之后该结 构在上海市政工程中推广：2 0 0 3 2 0 0 5 年内蒙古、河北等地区开始大量应用波纹 钢管涵，并开始使用分片拼装、拱形和椭圆形钢波纹管。到目前为止，我国部分 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 北方地区已开始大规模应用波纹钢管涵，华中、华南及西南地区也己开始尝试应 用，国内波纹钢管涵应用统计如表1 1 所示1 22 1 。2 0 0 8 年，交通部发布并实施了部 颁标准公路桥涵波形钢板( j t t 7 1 0 一2 0 0 8 ) ，为金属波纹管桥涵在我国的推广 应用提供了更有利的条件f 2 引。2 0 1 0 年交通部发布并实施了部颁标准公路涵洞通 道用波纹钢管( 板) ( j t t 7 9 1 2 0 l0 ) ，更加具体完善了钢波纹管涵的生产要求 和施工方法等【24 1 。但目前对钢波纹管涵的设计一般采用国外规范，国内并没有一 套完整的针对钢波纹管涵的结构设计规范，这也是需要共同努力探讨研究的目标。 表1 1 国内波纹钢管涵应用统计表 注：湖北、湖南、宁夏、贵州、广西、广东等省共使用钢波纹管3 0 余万米。 国内对钢波纹管涵的理论研究起步较晚，1 9 9 8 1 9 9 9 年，中交一院对波纹钢 管涵的受力特征进行了初步研究【6 , 2 5 】，研究结果表明：在相同围压的情况下，钢 波纹管涵与普通钢圆管涵的径向最大位移基本相同，但钢波纹管涵的轴向位移比 普通钢圆管明显要大，表现出钢波纹管涵具有轴向位移补偿的功能；钢波纹管涵 内部应力的拉压相间，使金属材料各向同性的优异特性得到充分发挥，而普通钢 圆管内部的压应力较大，拉应力较小。钢波纹管涵在施工过程中对地基的扰动小、 不渗水，有利于保持冻土地区的水热平衡，从而达到保护冻土体、整治病害涵洞 工程的目的1 2 6 。 1 9 9 9 年，由于在实际工程中大型波纹管的膨胀节段全尺寸寿命试验很难实现， 王银惠【2 7 】等基于局部应力一应变法研究预测了大型波纹管的疲劳寿命的方法。该 方法通过非线性有限元建模分析获得波纹管的局部最大应力应变，再根据局部的 应力应变设计简化的试验板。当在弯曲试验板上的最大应变与波纹管的最大局部 应变相等时，波纹管的试验寿命就可以通过试板的弯曲疲劳寿命代替。 2 0 0 1 年，北京交通大学的季文玉教授【28 承担了由铁道部科研开发的计划项目， 对钢波纹管涵洞的受力行为进行了理论研究和试验分析，并具体从理论研究、结 构试验和数值计算三个方面，通过测试回填土压力和管涵的变形、应力的变化规 律，对钢波纹管涵的受力性能进行了详细地研究，推导出钢波纹管涵变形和应力 计算公式，并且利用该公式得到的结果与数值分析以及结构试验得到的结果均十 分吻合，就此验证了理论公式的准确性。通过研究表明：长期荷载作用会使钢波 纹管涵的实测周围土压力会重分布，且逐渐接近规范值，此时钢波纹管涵的土压 力比施工阶段时的土压力要小。因此，施工阶段的土压力是对钢波纹管涵的设计 起关键控制作用。另外，也提出了采用弹性设计理论对钢波纹管涵进行设计的思 路。 2 0 0 6 年，北京交通大学的蒋雪梅、雷俊卿等【2 9 】通过结合内蒙古卓凉的二级公 硕士学位论文 路上的两处钢波纹圆管涵的试验研究与工程实践，对钢波纹圆管涵的水平和垂直 土压力的计算方法进行了探讨阐述，并利用有限元计算分析了钢波纹圆管涵结构 的力学性能。将有限元计算结构与现场实验研究结果相对比，得出：对于钢波纹 圆管涵，受力最不利截面是位于管顶；随着回填土高度的增加，管涵的横向应力 呈明显的规律分布；钢波纹圆管涵的适应变形能力很强，而且还有横向位移补偿 的优良性能1 3 。 2 0 0 7 年，铁道第五勘察设计院的韩晓强【3 l 】对铁路钢波纹管涵洞的力学性能进 行了有限元受力分析，提出：当填土高达5 o m 时，波纹管的变形、应力都要小 于规范的位移要求和钢材的屈服强度，主要是由于随着填土高度的逐渐增加活载 对钢波纹管涵的直接作用减小，活载作用对计算结果的影响会逐渐降低。恒载对 钢波纹管涵的变形影响较大，在填土高度逐渐增高时，恒载所占比重逐渐增加； 在恒活载的共同作用下，钢波纹管涵竖向的压缩变形不超过lo m m ，而其中活载 引起的变形变幅更小，施工完成后不会发生疲劳破坏。 2 0 0 8 年，长安大学的章金钊【3 2 】和中交寒区道路工程重点实验室的符进【3 3 】以 中尼公路金属波纹管涵洞的设计为依据，分析探讨了波纹管涵的厚度、孔径、管 顶最小填土厚度的确定方法，通过管材要求、管涵的布置、管座与基础及管涵的 细部构造设计，阐述了金属波纹管的设计方法。 同年，中交一公院的李祝龙教授【3 4 】从旋转对称壳基本理论着手，通过总结研 究发现解析法、工程计算法等对于竖向受力的涵洞均不适用。用有限元建模方法 分析了钢波纹管涵的大应变与小应变的问题，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，通过有限 元建模分析了不同边界条件对建模结果的影响，得出基础固结，两侧边界约束水 平方向位移最接近实际情况的结论【6 】。 2 0 0 9 年，北京交通大学的粟缤、刘建坤1 35 j 通过运用m i d a s 进行有限元分析， 当钢波纹管管高、管壁厚及管顶填土高度一定时，通过计算此时钢波纹管涵的管 顶变形和最大应力，得出钢波纹管涵的跨度与应力、管项变形的关系，确定了管 涵的最大跨径。当钢波纹管涵的管顶荷载保持一定时，钢波纹管涵的最大跨径随 管涵高度的增大而增大，相应的变形量也会增大。当管项荷载变小时，钢波纹管 的高度对最大变形与最大跨径的影响也会变小；当钢波纹管涵的跨度不变时，其 最大应力和变形随着高度的增加呈线性减小；随着管顶荷载的增大，其达到破坏 状态时的跨高比逐渐趋近于2 ，即其形状接近于圆形f 36 1 。 2 0 1 2 年，长安大学的熊山铭、冯忠居【3 7 , 3 8 】通过数值模拟分析管涵的力学性能 和荷载特性，得出：管径大于2 m 的高填方钢波纹管涵能降低管顶土压力集中的 现象。并将其结果与室内模拟实验和现场试验进行对比分析，提出了适用的钢波 纹管涵的设计方法以及供实际工程借鉴参考的波纹设计参数，避免了钢波纹管涵 高填土大跨径钢波纹管涵的力学性能与设计方法研究 洞单一波纹尺寸用于任何公路工程的技术缺限【3 9 | 。 综上可知，近几年国内对钢波纹管涵的做了一定的研究，对其结构性能也比 较了解，但研究的重点是管涵的力学性能，至于管涵的防水防腐方面的研究仍然 是少之又少【4 0 1 。另外，研究对象主要集中在填土高度不大的小跨径管涵，对于高 填土的大跨径钢波纹管涵的研究不多，而在山区公路