不同中心角钢波纹板拱涵力学性能研究

摘要

钢波纹板圆弧拱涵具有良好的力学性能和施工方便等优点，在工程中已被推广应用，但理论上的研究却很少。本文通过对国内外钢波纹板拱涵的研究资料进行收集和总结的基础上，以不同中心角钢波纹板拱涵为研究对象。其主要研究内容包括:相比钢筋混凝土拱涵的受力特点，不同中心角拱涵力学性能差异性、拱涵结构设计和施工工艺。对拱涵力学性能的研究主要借助有限元软件ANSYS进行大量的数值模拟，对中心角135°、150°、165°、180°钢波纹板拱涵的拱顶、拱腰、拱脚的位移和应力进行分析。主要得出如下结果:
　　1、钢波纹涵洞主要有闭口和开口截面形状，其用途广泛;由于钢波纹结构有轴向波纹的存在，使其拥有良好的承载和变形能力。
　　2、相比钢筋混凝土拱涵，钢波纹板拱涵的内力分布更合理、其变形和周围土应力更大，承担的外荷载更小。不同中心角钢波纹板拱涵的水平推力相差较大，但满足矢跨比小，水平推力大的拱涵基本规律。
　　3、通过中心角135°、150°、165°、180°钢波纹板拱涵模拟对比分析，得到填土高度3m下不同中心角钢波纹板拱涵拱顶、拱腰、拱脚的位移和应力变化特点;同时，还得到移动活载80kN作用下拱涵的竖向位移和应力随时间的变化规律。
　　4、运用有限元软件分别对不同填土高度、拱涵跨径及拱脚变位下的不同中心角钢波纹板拱涵进行模拟分析，分别得到如下结果:
　　(1)拱涵的最大竖向位移、波峰、波谷的应力随填土高度的变化规律，其中最大竖向位移增长速率在填土高度5m前后并不相同;
　　(2)拱涵波峰和波谷的位移、应力随拱涵跨径改变的变化规律;
　　(3)拱涵附近土体和拱涵的竖向位移在不同拱脚变位下的变化特点。
　　5、钢波纹板拱涵的国内《规范》和AISI结构设计方法简单，设计控制因素少，而CHBDC方法考虑了诸多因素作为设计控制因素，能准确的计算出结构在荷载下的应力，因此该设计方法比较合理。
　　6、对钢波纹板拱涵的施工进行了研究，主要包括:不同地基处理方法、拱脚连接构造物的设置、钢波纹板的安装及回填土施工要求。
　　论文研究成果有助于了解不同中心角钢波纹板拱涵的力学性能和解决其技术难题，同时对完善我国钢波纹板拱涵的设计与施工规范也有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 拱涵的概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究目的与意义

1．4 主要研究内容、方法及技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 研究方法

1．4．3 技术路线

第二章 钢波纹涵洞的结构特性及建模

2．1 钢波纹涵洞截面形状

2．1．1 钢波纹涵洞常用截面形状

2．1．2 钢波纹板拱涵圆弧截面形状

2．2 钢波纹结构的波纹形式及材料属性

2．2．1 钢波纹结构的波纹形式

2．2．2 钢波纹结构的强度和变形指标

2．3 钢波纹拱涵模型的建立

2．3．1 创建模型

2．3．2 材料参数和单元类型

2．3．3 模型施加边界条件及荷载

2．4 模型与试验对比

2．4．1 试验概况

2．4．2 模型与试验数据对比分析

2．5 本章小结

第三章 钢波纹板拱涵的受力性能分析

3．1．1 二维有限元模型的比较

3．1．2 三维有限元模型的比较

3．2 填土荷载下不同中心角钢波纹板拱涵的受力分析

3．2．1 钢波纹板拱涵变形和反力分析

3．2．2 钢波纹板拱涵土体位移分析

3．2．3 钢波纹板拱涵位移和应力分析

3．3 活载作用下不同中心角钢波纹板拱涵的受力分析

3．3．1 瞬态动力分析概述

3．3．2 钢波纹板拱涵位移和应力分析

3．4 本章小结

第四章 钢波纹板拱涵的受力性能影响因素分析

4．1 不同填土高度的影响

4．1．1 不同中心角拱涵位移分析

4．1．2 不同中心角拱涵应力分析

4．2 不同拱涵跨径的影响

4．2．1 不同中心角拱涵位移分析

4．2．2 不同中心角拱涵应力分析

4．3 不同拱脚变位的影响

4．3．1 不同中心角拱涵土体位移分析

4．3．2 不同中心角拱涵相对位移分析

4．4 本章小结

第五章 钢波纹板拱涵的结构设计与施工

5．1 钢波纹板拱涵的结构设计方法

5．1．1 CHBDC设计方法

5．1．2 AISI设计方法

5．1．3 国内钢波纹板拱涵设计方法

5．2 钢波纹板拱涵的施工

5．2．1 基础施工

5．2．2 钢波纹板安装

5．2．3 回填土施工

5．3 本章小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 进一步建议

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果