低路堤重载交通下钢波纹管涵洞力学性能及其与路基变形协同性理论研究

分类号U449.5单位代码10618密级学号2120950034专业硕士学位论文低路堤重载交通下钢波纹管涵洞力学性能及其与路基变形协同性理论研究研究生姓名：王金辉导师姓名及职称：李志勇副教授申请专业学位类别工程硕士学位授予单位重庆交通大学论文提交日期2015年04月26日专业领域名称交通运输工程论文答辩日期2015年06月04日2015年06月09日 ThestudyonmechanicalpropertiesofCorrugatedsteelculvertanddeformationCooperativitybetweencorrugatedsteelculvertandsubgradeunderheavytrafficinlowEmbankmentADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WangJinhuiSupervisor：Prof.LiZhiyongChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,China 重庆交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中Ｗ明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。、＇学位论文作者签名；１違曰期；）〇ｄ年６月ｇ曰重庆交通大学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、使巧学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，充许论文被查阅和借阅。本人授权重、庆交通大学可将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可Ｗ采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并进行信息服务（包括但不限于汇编、复、、。讳，１发行信息网络传播等）同时本人保留在其他媒体发表论文的权利ｉ金，学位论文作者签名；＾指导教师签名：日期：＞０古年６月ｇ日日期；瓜年ｆ月日本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊（光盘版）电子杂志社ＣＮＫＩ系列数据库中全文发布，并按《中国优秀博硕±学位论文全文数据库出版章程》规定享受相关权、ｔ－ｍｌ〇＾￡学位论文作者签名：重參啤指导教师签名：乐爱＞ｉ日期：ｒ年Ｇ月？日円期：円ｖ？）ｔ年６月？ 摘要随着我国公路事业的高速发展，涵洞在公路中的作用也越来越明显。钢波纹管涵洞作为公路涵洞的基本类型之一，因为其柔性结构、适应变形的特性使其在涵洞中占有的比例也越来越大，这一现象在特殊地质地区表现的更为明显。本文针对低路堤重载交通下钢波纹管涵洞力学性能及其与路基变形协调性展开研究。结合实际工程项目，通过现场试验及数值模拟的方法对钢波纹管涵洞在低路堤重载交通下的变形及受力特性、以及与路基变形的协调性能进行分析，主要做了以下工作：①结合国内外对钢波纹管涵洞的研究现状，给出了钢波纹涵洞材料的力学性能及工程特性，给出钢波纹管涵洞的使用条件及其适用性。②根据一处直径3米、填土高度2.6米的钢波纹管涵洞的现场试验，得出钢波纹管涵洞切向应变、管周切向应变现场试验数据。分析数据得出：当车辆位于不同车道时，波纹管切向应变随着应变片位置的变化而不同，但其随荷载移动的变化趋势却存在相似性。当荷载作用于不同车道时，钢波纹管切向应变不同，随着荷载的移动，波纹管不同断面同一角度的切向应变值不同但变化规律相似。③结合现场试验情况，通过数值模拟方法得出确定工况条件下钢波纹管涵洞管顶和管底波峰及波谷处（包括切向和轴向）受力特征、沿管涵圆周切向应力分布规律。④确定工况条件下，分析管涵竖向位移及路基竖向位移变化规律，进一步分析低路堤重载交通下钢波纹管涵洞与路基的变形协同性。论文研究成果给出了钢波纹管涵洞在低路堤重载交通下的力学性能，主要包括应变及应力情况，研究了钢波纹管涵洞与路基的变形协同性，具有重要的理论和应用价值。关键词：钢波纹管涵洞，低路堤，重载交通，路基，变形协同性，现场试验，模拟试验I ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofhighwayenterpriseinourcountry,theroleofculvertinhighwayisbecomingmoreandmoreobvious.Steelcorrugatedpipeculvertasoneofthebasictypesofhighwayculvert,becauseofitscharacteristicsofflexiblestructureandadapttothedeformation,theratioofintheculvertofisbecomingmoreandmorelarge,andthisphenomenoninspecialgeologicalregionperformanceismoreobvious.Thispaperstudyonmechanicalpropertiesofcorrugatedsteelculvertanddeformationcooperativitybetweencorrugatedsteelculvertandsubgradeunderheavytrafficinlowembankment.Combinedwiththeactualengineeringproject,throughthefieldtestandnumericalsimulationofsteelcorrugatedpipeculvertinthedeformationandmechanicalcharacteristicsoflowembankmentunderheavytraffic,aswellasthecoordinationwiththedeformationofsubgradeperformanceisanalyzed,themainresearchcontentisasfollows:①Combinedwiththedomesticandforeignresearchstatusofsteelcorrugatedpipeculvert,themechanicalpropertiesofthecorrugatedsteelculvertmaterialandengineeringproperties,theusingconditionsofsteelcorrugatedpipeculvertandtheirapplicabilityaregiven.②Accordingtoadiameterof3meters,fillheight2.6metersofthefieldtestofsteelcorrugatedpipeculvert,itisconcludedthatthesteelcorrugatedpipeculverttangentialstrain,tubeweekstangentialstrainfieldtestdata.Theresultshowsthatthetangentialstrainsofcorrugatedsteelculvertchangewithtestpointofcorrugatedsteelculvert,buthavesimilarchangelawswhendifferentloadwasappliedondifferentpositions.Thesetestdatasindicatethatthetangentialstrainsaredifferentwhentheloadsactondifferentlanes,andthetestpointsofwhichareatthesameangleindifferentsectionshavesimilarchangepattern,thoughtheirvaluesaredifferentwithtestpointofloadchanging.③Combinedwithfieldtest,throughthenumericalsimulationmethodtodetermineconditionsundertheconditionofsteelcorrugatedpipeculvertpipetopandbottompeaksandtroughsforcecharacteristic,alongthepipeculverttothestressdistributionofcircularring.④Analysisofpipeculvertchangelawofverticaldisplacementandverticaldisplacementofthesubgrade,furtheranalysiscollaborativedeformationofsteelII corrugatedculvertandsubgradeunderheavytrafficinlowembankment.Theresearchresultsgivensteelcorrugatedpipeculvertmechanicalperformanceinlowembankmentandunderheavytraffic,mainlyincludingthestrainandstress.Andanalysisthecollaborativedeformationofsteelcorrugatedculvertandsubgradeunderheavytrafficinlowembankment,hasimportanttheoreticalandapplicationvalue.KEYWORDS:corrugatedsteelculvert,lowembankment,heavytraffic,subgrade,collaborativedeformation,fieldtest,simulationtestIII 目录第一章绪论...............................................................................................11.1研究背景...............................................................................................................11.2国内外研究现状...................................................................................................21.2.1国外研究现状..................................................................................................21.2.2国内研究现状..................................................................................................41.3主要研究内容及方法...........................................................................................61.3.1主要研究内容..................................................................................................61.3.2研究方法..........................................................................................................71.4研究的意义...........................................................................................................7第二章钢波纹管涵洞材料工程特性......................................................82.1涵洞类型...............................................................................................................82.2钢波纹管涵洞材料成分及其性能.......................................................................82.2.1钢波纹管涵洞材料成分..................................................................................92.2.2钢波纹管涵洞材料的力学性能......................................................................92.3钢波纹管涵洞材料强度指标及特性.................................................................102.3.1钢波纹管涵洞材料强度指标........................................................................102.3.2钢波纹管涵洞材料强度特性........................................................................112.4钢波纹管涵洞材料变形特性.............................................................................122.5小结.....................................................................................................................13第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究................................143.1项目概况.............................................................................................................143.2应变试验方案.....................................................................................................143.2.1研究内容、目的及方法................................................................................143.2.2试验测点选取及布设....................................................................................153.2.3现场试验工况布设及现场试验过程............................................................173.3应变现场试验数据整理分析.............................................................................18IV 3.3.1管顶切向应变分析........................................................................................183.3.2管周切向应变分析........................................................................................243.4管涵挠度试验方案.............................................................................................303.4.1试验方法及目的............................................................................................303.4.2管涵挠度试验测点布设及流程....................................................................303.5管涵挠度试验测试结果分析..............................................................................313.6本章小结.............................................................................................................35第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟....374.1数值模拟的意义及原理.....................................................................................374.1.1数值模拟的意义............................................................................................374.1.2有限元模拟的原理........................................................................................374.2计算模型及模拟工况.........................................................................................384.2.1模型及网格划分............................................................................................384.2.2模拟工况确定................................................................................................414.3钢波纹管应力分析.............................................................................................424.3.1切向应力分析................................................................................................434.3.2轴向应力分析................................................................................................454.3.3沿圆周切向应力分析....................................................................................494.4钢波纹管竖向位移及挠度分析.........................................................................524.4.1管顶竖向位移分析........................................................................................524.4.2管底竖向位移分析........................................................................................534.4.3钢波纹管涵洞挠度分析................................................................................544.5刚波纹管涵洞与路基协同变形研究.................................................................544.5.1竖直方向竖向位移分析................................................................................554.5.2同一高度平面内的竖向位移分析................................................................594.6不同涵洞结构变形性能比较.............................................................................624.6.1管涵竖向变形（挠度）对比分析................................................................624.6.2管顶竖向位移对比分析................................................................................624.7本章小结.............................................................................................................63V 第五章结论与展望.................................................................................645.1主要结论.............................................................................................................645.1.1钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究结论............................................645.1.2钢波纹管涵洞受力性能及其与路基协同变形数值模拟结论....................655.2进一步研究的建议.............................................................................................65致谢.............................................................................................................67参考文献.....................................................................................................68攻读学位期间取得的研究成果.................................................................70VI 第一章绪论第一章绪论1.1研究背景随着我国国民经济的迅速发展及我国道路基础设施投资力度的加大，我国的公路里程数及其公路等级也在不断提高。伴随着公路里程的增加，相应的各种类型的涵洞结构在公路路基中应用的比例也在逐年增加。通常公路路基中用到的涵洞类型主要包括石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵、钢波纹管涵等。随着制作技术的逐渐成熟及施工质量的提高，钢波纹管涵洞在公路路基中的应用比重越来越大。对于公路涵洞结构来说，路基的不均匀沉降是导致涵洞变形破坏进而影响路面结构使用性能的主要原因。钢波纹管涵洞具有柔性、高强度的结构力学特性，这种特性能很好的适应地基及基础的不均匀变形，能有效的减少涵洞因不均匀变形产生破坏进而影响路面结构的使用性能现象的发生。其次，与普通管涵结构相比，钢波纹管涵洞的轴向波纹能更大程度上的分散荷载的应力集中，这对于路面结构及路基的受力是非常有利的。和其他涵洞类型相比，钢波纹管涵洞的优点还包括：施工期较其他涵洞类型短，并且施工简单，可以采用拼装施工；当涵洞跨径较大时，性价比比同跨径的其他涵洞高；有利于改善软土、膨胀土、湿陷性黄土、多年冻土等不良地质情况下路基不均匀变形问题，进而能很好的改善公路的[1]服务性能。从国外钢波纹管的应用情况调查分析来看，此种形式的涵洞具有很强的适用能力，经过防腐处理的钢波纹管涵洞使用年限可以达到50年。从公路的寿命周期和服务水平的要求来看，如果涵洞的使用寿命达到50年，完全能够满足公路的需求，也就是钢波纹管涵洞完全可以适用于一般公路。对于较为特殊工程地质条件的岩土地区，包括地质条件不良的膨胀土、软土以及湿陷性黄土等区域，如果在这些区域使用钢筋混凝土圆管涵或者盖板涵，其结果往往是产生很大程度的破坏，其中较为严重的后果是形成地基或基础的不均匀沉降进一步导致涵洞结构破坏。对于上述特殊工程地质区域的涵洞结构（钢筋混凝土圆管涵或盖板涵）使用寿命远达不到50年的水平，有时往往低于20年。在上述地区产生的因地基变形进而导致涵洞破坏的问题，如果使用钢波纹管涵洞则可以很好的解决，同时对于路面由于地基沉降变形产生的应力集中有较好的缓解作用。所以，钢波纹管涵洞在上述特殊地质地区应用时，相比其他涵洞类型的优越性更明显。钢波纹管涵洞为柔型结构，这种材料特性有利于改善软土地基结构物与路堤交界处的错台现象，相对于其他涵洞结构来说，可以很好的提高行车的舒适度与安全性。钢波纹管涵洞1 重庆交通大学硕士毕业论文的缺点：考虑到其构成材料是钢材，必然会涉及到防腐问题，对于那些高速公路的重要路段或者是对于涵洞维护比较困难的地区，尽量避免使用钢波纹管涵洞；对于泥石流等灾害多发地区，由于泥石流所含物质导致对波纹管涵洞防腐层的冲刷破坏，应谨慎选用钢波纹管涵洞；而作为涵洞形式的一种，排水是其最基本的功能之一，作为柔性结构涵洞，其容易发生变形进而对其排水能力产生影响，尤其是出入口处管体的变形破坏对排水能力影响最大，所以对管涵排水能力要求较高且涵洞所处位置出入口易造成波纹管变形破坏的地区不易选用钢波纹管涵洞形式。我国目前对钢波纹管涵洞的研究主要集中在钢波纹管涵洞受力及变形特性的研究，主要分析其在交通荷载作用下的钢波纹管顶部、底部的波峰波谷处的应力及变化规律，也就是主要集中于钢波纹管本身的结构性能上。而对于含有钢波纹管涵洞的路基，钢波纹管涵洞及路基的变形协调性问题研究较少，尤其是在低路堤重载交通情况下，钢波纹管涵洞对路基结构的影响机理研究较少。低路堤条件下，由于涵洞上方填土高度较小，使得车辆荷载主要作用在涵洞结构上，这对于涵洞结构的强度有很大要求。如果是刚性结构涵洞，将在其内部产生很大应力，对涵洞结构不利，而钢波纹管涵洞作为柔性结构在外力荷载作用下，能产生一定的变形，这将很大程度上减小作用在波纹管涵洞内部的应力，能很好的延长涵洞的使用寿命。如何正确的分析钢波纹管涵洞与路基变形的协调性问题不仅影响到公路钢波纹管涵洞上方路面的服务性能，而且关系到波纹管涵洞的使用性能及其对路基沉降的影响。研究低路堤重载交通下钢波纹管涵洞的受力、变形及其与路基变形的协调性问题具有重要的理论及实践意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状波纹管最早在英国使用，1896年美国是最早进行波纹管研究的，研究内容主要是对其可行性进行分析，并且第一次将波纹管作为涵洞结构应用，1913年第一条波纹管在被应用于英国，用来做为农田灌溉水渠使用，美国铁路协会于1923年结合伊利诺斯州的中央铁路对波纹管通道性能进行了各项测试，1929年加拿大第一座波纹管被应用于煤矿中。1931年澳大利亚建成一座8m汽车通道，1990年《日本高速公路设计规范》是比较系统的波纹管设计及应用技术规范。在美国、加拿大等国家，波纹管涵洞已被广泛应用于公路工程，并制定了设计、制造及施工安装手册，积累了较为成熟的波纹管涵洞的设计理论及修建经验。2 第一章绪论[2]1971年，WatkinsR.K、MoserA.P做了对埋置式钢波纹管施加外部荷载的足尺试验，试验受到土—钢波纹管系统的限制。经过分析试验结果得出影响钢波纹管性能的三个最重要的因素分别是：管壁上屈服点的强度、土层的压缩性和管道环向的柔度。1996年，美国国家钢波纹管协会（NCSPA）与美国钢铁学会（AISI）合作，对其国内22个州由钢波纹制成的雨水管和涵洞的腐蚀现状和使用条件进项调查研究。如果使用镀锌和涂沥青进行防腐处理，钢波纹管使用寿命20～74年，此时土壤的电阻率变化范围1326～77000Ω·cm，PH值位于5.6～10.3之间。在对大部分管的研究中发现，土壤环境对管的腐蚀较小，而管内壁发生的腐蚀较为严重，进[3]行防腐涂装后，钢波纹管使用寿命在一些特定区域及水环境中可达100年。[4]2002年，KellsJ.A对钢波纹管道在出入口地方产生形变进而影响管道的泄流能力进行研究，而这一形变主要是由于管道在运输、安装和使用过程中产生的。对其研究的结果发现：涵洞出入口处发生形变损坏对波纹管涵洞的水力学性能的影响是很严重的，尤其是入口处的形变损坏对泄流产生的影响更大；研究表明对于那些大于损坏管径1/4以上的钢波纹管涵洞需要进行必要的修复，而对于那些新埋设的涵洞是不允许产生任何程度形变破坏的。[5]2008年，ShadSargand、TeruhisaMasada、AndrewMoreland等人对现实状况的钢波纹管涵洞的力学性能及使用现状进行了数值模拟研究，这一研究的具体对象为位于俄亥俄州管径6.4m的钢波纹管涵洞。通过对比研究现场试验数据和有限元模拟分析结果得出以下结论：钢波纹管涵洞各种性能发展到稳定状态大概在涵洞施工一年之后；管涵使用过程会出现圆周缩小，这种现象对于减小涵洞上方填土负荷是有利的，但是圆周的缩小值不能太大，如果缩小值太大将会对涵洞的泄洪能力和涵洞上覆结构稳定性产生影响。[6]2009年，KyongY.Yeau、HalilSezen、PatrickJ.Fox等人对位于俄亥俄州大量的钢波纹管涵洞进行现场试验研究。试验测试收集涵洞在不同荷载形式作用下的应变和挠度的变化情况，其中荷载形式包括汽车静荷载和汽车的动荷载作用。研究结果表明：涵洞本身挠度随管顶填土高度变化，当高度增加时其非线性减小。当管顶填土高度较小时（2.5米），无论是作用汽车静荷载还是汽车动态荷载，此时涵洞应变以及挠度都有明显增加的趋势；对于管涵最大挠度来说，汽车动态荷载作用下要比汽车静态荷载作用下小10%～30%左右。3 重庆交通大学硕士毕业论文1.2.2国内研究现状[7-8]长安大学的折学森对填土内管道的土压力及变形做了较为全面的分析，他分别从模型试验以及有限元数值模拟分析两个方面探讨了管道土压力的影响因素及规律。[9]中交第一公路勘察设计研究院的王永岗在1998～1999年，对公路钢波纹管涵洞的受力及变形特性进行了初步研究。通过相同条件下钢波纹管钢与圆管涵进行对比分析得出以下结论：当两者围压相同时，两者的径向最大位移相差不大，但两者的轴向位移相差较大，前者的轴向位移明显大于后者，体现了钢波纹管具有普通钢圆管涵不具备的轴向补偿位移的功能；指出两者内部应力特征分布的不同，钢波纹管较普通钢圆管涵更能发挥金属材料各向同性的优良特性。[10]2006年，北京交通大学的蒋雪梅等人结合工程实践，对公路钢波纹管圆管涵的力学性能进行了有限元模拟计算分析。通过与现场试验对比分析得出了管顶截面是钢波纹管圆管涵的最不利受力截面；涵洞的横向应力分布随着路基填土的增高呈现明显的规律性。[11]2006年，北京交通大学的徐群丽、季文玉以位于青藏线DK945+849一处金属波纹管涵洞（孔径1.5m）为研究对象，对其管壁应力进行了相关试验研究。通过有限元模拟实测土压力作用金属波纹管上，进行了有限元应力计算，其结果略大于应力实测值，误差较小，且偏于安全。[12]2007年，赵卫国、李祝龙、李创军对国内外有关钢波纹管涵洞在公路上的应用和其研究现状进行了总结，并根据青藏公路和青康公路工程中实际修建的钢波纹管涵洞的应用效果研究，分析指出：钢波纹管涵洞对于一般公路规定服务年限内，钢波纹管涵洞能很好的满足使用要求，这种使用效果对膨胀土、湿陷性黄土等不良地质环境区域更明显。[13]2008年，中交第一公路勘察设计研究院的李祝龙及河北省公路质量监督站的王艳丽针对工程现场采用的反开槽回填法施工，规定其边界条件如下：管涵底面约束所有的位移和扭转自由度、管两侧立面进行水平位移约束、顶面施加荷载、其余面自由。荷载形式为施加竖向汽车荷载，对上述模型进行ansys有限元模拟分析，进而对公路钢波纹管涵洞的受力分析进行了较为合理的研究。[14]2009年，赵磊详细介绍了钢波纹管涵洞的技术优点并对直接填筑法和反开槽回填法施工工艺作了简要概括，对于质量控制需要从时间要求、防腐要求、材料要求和基础压实及承载力要求四个方面进行考虑。工程实践表明：钢波纹管涵4 第一章绪论对于行车舒适度和安全性的提高有很明显的效果，能很好的避免或减轻道路中由于涵洞引起的“错台跳车”现象。[15]2012年，长安大学的乌延玲分别结合现场试验、室内模拟实验、ansys有限元分析对公路钢波纹管涵洞受力与变形特性及应用进行了研究。由现场试验分析了钢波纹管涵洞在不同填土高度和行车荷载作用下的受力与变形规律；由室内模拟试验推断了不同管径随填土荷载增加最先发生破坏的可能性位置；由有限元分析确定了埋设条件、地形条件、填土土性和施工方法等因素对钢波纹管受力与变形特性的影响。[16]2004年，邓卫东、张兴强、陈波等对利用有限元模拟分析，对路基的不均匀沉降进而影响沥青路面结构的受力与变形进行了研究。对特定的半填半挖路基用有限元模拟分析，指出路基产生差异沉降的原因，并说明其与汽车荷载及其路基土物理力学性质的关系。通过对多种工况的研究分析，指出了单独汽车荷载作用下和土体与汽车荷载共同作用对沥青路面结构受力与变形特性差异。2000～2005年中交第一公路勘察设计研究院开展了钢波纹管涵洞的现场力学实验，同时还开展了大量的室内模拟计算，并且根据国内外对钢波纹管涵洞的研究成果进行研究，编制了“公路单管钢波纹管涵洞通用图”（2米以下小跨径）一套。2005～2008年中交第一公路勘察设计研究院组织并且完成“钢波纹管涵洞结构设计软件”的开发研究。2008年，符进、章金钊根据中尼公路工程中钢波纹管涵洞实际施工设计的具体情况，分析总结了各种波纹管涵洞波形参数的具体确定方法，并通过管涵不同[17]部件设计要求各异，总结得出公路钢波纹管涵洞的结构设计方法。2009～2010年中交第一公路勘察设计研究院圆满的完成了和钢波纹管有关的“公路大孔径钢波纹涵洞技术研究”，并编制交通运输部行业标准《公路涵洞通道用波纹钢板（管）》，完成“大孔径钢波纹涵洞施工工法”。2009年，北京交通大学的粟缤采用Midas有限元模拟分析软件，从理论上计算分析了各种因素一定时（主要包括填土高度、管壁厚度等），相应波纹管各方向应力最大值及其管顶位移值，对比分析得出其管跨度与波纹管管顶变形以及应力之间的关系，进而计算出其最大的跨度。研究发现，如果作用在管顶的荷载一定时，管涵最大跨度及其变形量与管高呈正相关。作用在管顶上的荷载大小决定管[18]高对最大跨度和相应最大变形量的影响程度。1998年，上海公路处联合上海市政工程设计研究院在上海新开河对一个直径5 重庆交通大学硕士毕业论文4米的钢波纹管（板）涵洞进行了相关的荷载试验，通过有限元分析以及现场实验的结合，分析出很多规律。分析得出：拉应力及压应力的最大值分别位于波纹管涵洞上半圆左右两侧45°位置处，最大压应力出现在波纹管波谷处，最大拉应力[19]出现在波纹管波峰处。2000年，李祝龙、章金钊开展了钢波纹管涵应用于高原多年冻土地区时的热学以及力学研究分析，并对钢波纹管涵在该类似区域的适用性以及经济可行性进行详细阐述。分析认为：波纹管涵由于具有本身自重较轻、施工过程简单、与其他管涵相比工期短等优点，使得其在上述地区修建非常适用；波纹管在荷载作用下有其独特的轴向补偿位移性能；由于波纹管涵简便的施工过程，使得其对开挖区地基扰动很小，能很大程度的保持当地的水热平衡；波纹管涵在上述地区布设[20]对于减少涵洞造价是很有利的。1.3主要研究内容及方法1.3.1主要研究内容我国目前对钢波纹管涵洞的研究主要集中在钢波纹管涵洞受力及变形特性的研究，主要分析其在交通荷载及不同填土高度作用下的钢波纹管顶部、底部的波峰波谷处的应力及变形规律。而对于含有钢波纹管涵洞的路基中，钢波纹管涵洞和路基变形协调性问题研究较少，尤其是在低路堤情况下，钢波纹管涵洞对路基的影响机理研究较少。本论文最终目的在于研究低路堤重载交通条件下钢波纹管涵洞力学性能及其与路基变形的关系，得出两者协调变形规律。研究内容如下：①资料调研分析对有关公路钢波纹管涵洞和路基结构方面的国内外研究资料进行详细的调研与分析。②现场试验数据处理分析结合现场试验，对低路堤重载交通条件下公路钢波纹管涵洞的试验数据进行处理与分析，初步得出公路钢波纹管涵洞的变形特性，并初步分析钢波纹管涵洞与路基变形的关系。③钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形的模拟研究利用有限元模拟研究低路堤重载交通条件下公路钢波纹管涵洞的受力性能及其与路基变形的关系。通过不同的工况条件（改变荷载位置与涵洞中心的水平距离），得出波纹管涵洞受力性能、管顶及管底竖向位移以及管涵两侧和管涵中心6 第一章绪论处竖直位移变化规律，总结两者之间竖向位移变形协调性；分析波纹管涵洞的挠度变化。④结论分析及相关建议通过现场试验及有限元模拟分析，得出低路堤重载交通条件下公路钢波纹管涵洞力学性能及其与路基变形协调性的规律，并对影响机理进行分析，给出涵洞施工时的相关建议。1.3.2研究方法①通过对钢波纹管涵洞使用情况资料的调查与分析，在已有研究成果的基础上，总结钢波纹管涵洞受力及变形特征以及对路基结构使用情况的影响，为试验研究和理论分析提供支撑。②通过对现场试验数据资料的整理与分析，得出公路钢波纹管涵洞变形特征，并初步分析其对路基变形性能的影响。③利用有限元模拟软件ansys对低路堤重载交通条件下路基及钢波纹管涵洞进行数值模拟，得出不同工况条件下钢波纹管涵洞力学性能及其与路基变形的关系，并对两者的协同性进行研究。1.4研究的意义通过现场试验数据分析处理和有限元模拟分析，给出低路堤重载交通条件下公路钢波纹管涵洞力学性能及其与路基结构变形的关系，并分析其协调性，结合理论分析给出相关建议。研究低路堤重载交通下钢波纹管涵洞的受力、变形及其与路基变形的协调性问题具有重要的理论及实践意义。7 重庆交通大学硕士毕业论文第二章钢波纹管涵洞材料工程特性涵洞在公路交通中应用范围非常广泛，随着现代施工技术水平和结构材料的相应发展，涵洞的形式越来越多、应用范围也越来越广。本章总结归纳常见的涵洞分类方法及钢波纹管涵洞材料的工程特性和使用条件。2.1涵洞类型①按建筑材料分类按建筑材料分，常见涵洞形式有石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵、砖涵，有时也可用陶瓷管涵、铸铁管涵、波纹管涵、石灰三合土涵等。②按构造形式分类按构造形式可分为管涵（通常为圆管涵）、盖板涵、拱涵、箱涵。以上几种构造形式涵洞的常用跨径见表2.1不同构造形式涵洞的常用跨径。对于钢波纹管涵洞来说，其构造形式可制成管拱或椭圆截面。表2.1不同构造形式涵洞的常用跨径构造形式跨（直）经（cm）圆管涵50、75、100、125、150盖板涵75、100、125、150、200、250、300、400拱涵100、150、200、250、300、400箱涵200、250、300、400、500③按洞顶填土情况分类根据涵洞洞顶填土高度的不同，可以把涵洞类型分为明涵和暗涵两种。具体来说，明涵就是洞顶不填土的涵洞，这类涵洞对于低路堤以及浅沟渠等比较适用；暗涵则是指涵洞洞顶的填土高度大于50cm的涵洞，这类涵洞对于高路堤以及深沟渠比较适用。④按涵洞水力学性质分类此种分类方法要对水流流经涵洞时的可能状态进行区分，对可能的状态进行判断，在此基础上进一步对涵洞相应的水力计算图式进行确定。涵洞的不同水力计算图式主要包括无压力式、半压力式、压力式涵洞以及倒虹吸管。涵洞的分类方法还有按涵洞洞身形式、按涵底坡度等形式分类，这里不再详述。8 第二章钢波纹管涵洞材料工程特性2.2钢波纹管涵洞材料成分及其性能2.2.1钢波纹管涵洞材料成分钢波纹管的制造是由钢板材料Q235压成波纹状，然后再卷制成管节形成钢波纹管。钢波纹管的生产及制作已经形成工厂规模化。钢材具有其他材料如混凝土等不具备的优点，如强度高、具有很好的塑性及韧性、抵抗冲击性能好、能很好的适应变形等优点。Q235是指钢材屈服点是235MPa的钢，Q235钢所含化学成及含量见表2.2。表2.2Q235钢所含化学成分及含量等所含化学成分（%），≤脱氧方式级CSiMnSPA0.220.0500.045F、ZB0.200.0450.350.14C0.0400.040Z0.17D0.0350.035TZ备A、B、C、D四个等级的划分依据是钢材中硫、磷含量的多少；F表示沸腾钢、Z表示注镇静钢、TZ表示特殊镇静钢2.2.2钢波纹管涵洞材料的力学性能对于钢波纹管的材料（主要是指Q235钢）的力学性能主要有抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳性以及冷弯性能等。下面分别对上述力学性能进行介绍。图2-1低碳钢（Q235）应力—应变关系图①抗拉性能图2-1给出了低碳钢（Q235）的应力—应变关系曲线，在其受拉过程中先后经历了弹性阶段、屈服屈服、强化阶段及颈缩阶段。由图可知曲线OA段称为弹9 重庆交通大学硕士毕业论文性阶段，此过程中拉应力相对较小，应力和应变近似表现为线性增加，如果在此阶段把作用在其上的荷载卸除，则试件近似可恢复到原来的形状，在此阶段产生的变形为弹性变形；图中曲线AB段对应钢材屈服阶段，在A点以后如果荷载继续增加，此时钢材的应力与应变关系不再表现为线性变化，此阶段曲线有向下弯曲的趋势，也就是从A点以后材料将产生不能完全恢复的塑性变形；图中BC段对应钢材的强化阶段，由图可以看出过B点后钢材的变形速度明显加快，钢材强度有所提高；图中CD段对应钢材的颈缩阶段，经过C点以后钢材的变形更加明显，此时曲线有向下凹的趋势，外在表现形式为钢材发生拉伸变形，并且在薄弱处钢材断面发生缩小现象，进而钢材产生所谓“颈缩”现象直至达到D点钢材发生断裂。②冲击韧性冲击韧性作为钢材的主要性能之一，它用来表示钢材对于冲击荷载的抵抗能力大小，可以通过试验机冲击钢材试件的结果计算得到，计算结果得出的指标值的大小可以很好的表示钢材的冲击韧性。一般来说，其值越大冲击韧性相应越好。冲击试验，能较好、较全面地对钢材材质的优劣程度进行评判。影响冲击韧性的因素较多，如钢材的化学成分、制造时的冶金质量、钢材所处的环境温度，其中钢材所处的环境温度对其性能的影响较为显著。③耐疲劳性钢材在循环荷载作用下，其产生破坏断裂时的应力远低于钢材的抗拉强度，我们把这种现象称为材料的疲劳破坏。在多次循环荷载的作用下，如果钢材未产生上述疲劳破坏，我们把此时对应的最大应力称为钢材的疲劳强度，它是反应钢材耐疲劳性的重要指标。④冷弯性能冷弯性能是衡量钢材在常温下冷加工弯曲时产生塑性变形的能力，是衡量钢材塑性的重要工艺性能。冷弯性能对于钢材内部是否存在不均匀内应力、是否含有杂质等缺陷有很好的反映。2.3钢波纹管涵洞材料强度指标及特性2.3.1钢波纹管涵洞材料强度指标表2.3给出了钢波纹管涵洞材料（Q235钢材）不同厚度或直径下的屈服强度和抗拉强度。10 第二章钢波纹管涵洞材料工程特性表2.3Q235钢材力学性能屈服强度，不小于等级钢材的厚度或者直径（mm）抗拉强度≤16＞16-40＞40-60＞60-100＞100-150＞150-200ABCD235225215215195185370-500钢材屈强比n（屈服强度与抗拉强度的比值）可反映钢材的可靠性及其利用率。当屈强比较小时，使得钢材料的可靠性较大，进而使结构较安全。但n值不能过小，否则对钢材的利用率影响很大，从而造成钢材的浪费。因而在实际中如何选则屈强比，既要考虑安全可靠，还要在此基础上保证其利用率。2.3.2钢波纹管涵洞材料强度特性刚波纹管与钢圆管最主要的区别就是钢波纹管不像钢圆管一样表面是光滑的。钢波纹管是在涵洞身纵向形成一定形状的波形，纵向波纹形式的存在使得钢波纹管具有钢圆管没有的力学性质，它可以很好的调整和分散由于各种原因产生的应力集中现象，这些产生应力集中的原因很多，最主要的原因是由于路基的不均匀沉降。钢波纹管涵洞纵向的波纹主要通过改变作用在波纹管上的应力的方向以达到降低局部应力并分散应力的作用。通过对钢波纹管和钢圆管的刚度分析可以得出，单位面积相同的情况下，前者的惯性矩和回转半径等都超过了后者很多；当把板厚控制在适当的范围内时，前者的抗弯性能和抗压性能比等面积的后者都要高出很多。图2-2为钢圆管与钢波纹管示意图。图2-2钢圆管与钢波纹管示意图钢波纹管涵洞与钢圆管涵都是由钢板卷制而成，不同的是钢波纹管涵洞是由本身就是波形的钢板卷制加工而成的，当有竖向应力作用时，钢波纹管涵洞断面11 重庆交通大学硕士毕业论文将会发生一定程度的微小变形。正是由于钢波纹管涵洞本身的这种微小的变形特点，使得钢波纹管涵洞具有了其他圆管涵不具有的受力特点。具体表现在，当有荷载作用在钢波纹管涵洞上时，钢波纹管的变形特性使得它与管周土体形成管—土共同受力体系，使得它们共同分担荷载；而对于其它圆管涵上来说，当荷载作用在其上时（如钢筋混凝土圆管涵），由于其自身的刚性特性使得涵洞形状很难发生变化，在这种情况下，其上作用的荷载就只能有由涵管本身及管身基础底部的土体来承担，不能像波纹管涵洞那样形成管—土共同受力体系，这对于涵洞的受力是不利的。相同情况下，比较两者底部压力，可以看出钢波纹管涵洞明显比钢圆管涵小得多。这就决定了钢波纹管涵洞与钢圆管涵相比，基础变形对涵洞的影响程度前者要比后者更小，而且前者洞身的微小变形使得其管身周围土压力更加均匀，具体见图2-3。由于钢波纹管涵洞底部压力相对较小，所以其对基础的要求没有刚性管高，不必进行地基的特殊处理。因此，从承载力的方面考虑时，钢波纹管涵洞对管底地基填土的要求相对较低，这对于在不良地址地区进行涵洞施工具有非常重要的工程及经济意义。可以大大简化施工繁杂程度及很好的节省经济成本。图2-3刚性及柔性涵洞结构的力学性能示意图2.4钢波纹管涵洞材料变形特性构成钢波纹管的主材料是可塑性很好的低碳钢，这种材料的性能决定了钢波纹管涵洞具有较强的变形特性，在实际应用中可以根据需要制作成各种横截面形式，如圆形、椭圆形、拱形等形状。钢波纹管是柔性结构物的典型代表，在涵顶填土完成后，钢波纹管涵洞结构的变形特性与其他的刚性结构物具有显著的不同，如图2-4所示。在刚性结构中，由于组成涵洞结构材料自身的特点使得其形变能力较弱，不能很好的适应不可避免的土体变形，这种情况很容易导致其涵洞结构破12 第二章钢波纹管涵洞材料工程特性坏，从而使涵洞丧失其使用功能；但是在柔性结构中，材料本身结构形式及特性使得涵洞结构能最大程度的适应土体的变形，使得涵洞结构即使遇到土体及地基发生较大变形时，仍能使涵洞满足正常的使用要求。钢波纹管涵洞的特点就是把涵身和土体变为一个整体系统，使得涵洞结构能很好的适应地基及土体的变形，进而使得钢波纹管的应用范围得到很大程度提高。涵洞的结构破坏问题引起的原因有多种，其中最常见的是由地基基础的不均匀沉降造成的，采用钢波纹管结构形式涵洞，可以很好解决这类问题。同时由于钢波纹管对基底的变形有很好的适应能力，这就决定了它不会像其他的刚性涵洞结构一样容易导致自身涵洞结构的破坏。钢波纹管有很好的分散其上荷载的作用，能更好的发挥钢结构的优势。图2-4刚性及柔性涵洞填土后变形示意图2.5小结①本章对常见的涵洞分类方式进行归纳，总结了常见的涵洞分类方法及相应涵洞形式。②对钢波纹管材料成分及其性能进行介绍，对Q235低碳钢的成分组成及力学性能如抗拉性能、冲击韧性、耐疲劳性以及冷弯性能等进行介绍。③对比分析钢波纹管涵洞（柔型结构）、钢筋混凝土圆管涵洞（刚性结构）在力学性能及受力变形方面的不同，得出波纹管涵洞所具有的优势。指出由于钢波纹管涵洞与其他涵洞类型结构形式的不同（主要是指纵向波纹）使其具有比其他涵洞类型更合理的受力特征。这种受力特点使得钢波纹管涵洞在多年冻土、软土、湿陷性黄土等不良工程地质区域有更加广泛的适用性。13 重庆交通大学硕士毕业论文第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究由于本论文所研究的主要内容是低路堤重载交通条件下钢波纹管涵洞与路基的变形协调性，而涵洞结构对路基结构的影响主要通过其自身的变形来实现的，所以本章主要通过钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验来研究钢波纹管涵洞的变形特性。3.1项目概况本现场实验数据来源于泗许高速淮北段2标K15+031处（安徽省）直径3m拼装钢波纹管涵的现场试验。波形参数为150mm×50mm（波距L×波高f），具体波形示意图如图4-1，壁厚t为5mm(镀锌前)，钢波纹管涵洞所用材料为Q235A钢材。安徽省地形为大面积平原地区，路基填土高度较小，存在刚性构造物与柔性路基的桥（涵）头跳车现象，而应用具有柔性特性的钢波纹管涵洞则可以有效的减轻或避免上述问题；其次，钢波纹管涵洞具有横向补偿的特性，对于地基较大沉降与变形的适应性较高，并且在这种情况下不易发生破坏，轴向波纹的存在使其具有优良的受力特征，轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变，可以更大程度上分散荷载的应力集中，有利于减少不均匀沉降。对于安徽省的软土、膨胀土地区，应用钢波纹管涵洞不仅可以解决工程对柔性涵洞大变形的需求，而且对于节省工程投资也是很有利的。安徽雨季多，冬季寒冷，波纹钢结构涵洞具有施工速度快，不需要养生时间，不受气温和雨季施工影响，节省工期的优势。3.2应变试验方案3.2.1研究内容、目的及方法①研究内容本次现场试验的主要研究内容为低路堤荷载条件下钢波纹管涵洞应变以及挠度的变化情况研究。对单管钢波纹管涵洞，通过分析试验车辆分别在行车道、超车道、应急车道等关键试验点加载时组成钢波纹管涵洞波纹板的应变情况。主要对钢波纹管涵洞的管顶切向应变和管周切向应变进行研究。测试试验车在不同位置加载时单管钢波纹管涵竖向变形量的大小（即管顶挠度变形）。②研究目的14 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究本次现场试验目的是通过测试钢波纹管涵洞在不同荷载位置下的变形情况，总结钢波纹管涵洞在荷载作用下应变的变化规律，为下面研究钢波纹管涵洞对路基结构的影响以及两者变形协同性提供理论支撑。由于钢波纹管涵洞沿轴向是波形的，这就要求对波形不同位置进行试验测试，具体测点布设如图3-5，这样才能更全面的得出钢波纹管涵洞不同位置处（主要指波纹管的波峰、波侧、波谷）的应变变化规律。③研究方法通过在钢波纹管涵洞内部需要测量数据位置布设相应的应变片，并将应变片与测试仪器相连接；然后通过改变试验车在超车道、行车道、紧急停车道上的停驻位置，测出在相应荷载位置下的钢波纹管涵洞的应变值；收集整理并分析不同何在位置下不同测点应变值变化规律，得出钢波纹管涵洞在不同活载情况下的变形规律。其技术路线如下：应变片粘贴→实验仪器连接→试验荷载加载（不同位置试验车停驻）→应变试验数据收集→数据的分析整理→钢波纹管涵洞应变规律分析3.2.2试验测点选取及布设钢波纹管涵洞施工现场如图3-1，其中左侧为钢波纹管涵洞的拼装过程，右侧为拼装完成后现场图。对于钢波纹管一般采用工厂集中化生产，根据管径的不同分两种形式，当管径小于3.0m时，一般做成整装型波纹管，每节管的长度在2.8-3.4m之间，两端焊接法，运至施工现场后，采用螺栓连接，施工速度快，如果涵长在60米左右，涵管主体安装1天就可完成，回填至最小填土高度0.6m后一天就可通行施工车辆；如果孔径大于等于3.0m的波纹管则采用拼装的方式，出厂时为板片，运输到施工现场后，组装成型。对于不同直径的钢波纹管，圆周向搭接板的数量存在变化，片状拼装施工比较整装型略慢一些，但是和传统的圬工构造物涵洞形式相比，要比后者的施工时间减少1-2月，这对于那些对施工速度有要求的工程具有重要意义。图3-1直径3米钢波纹管涵洞施工现场15 重庆交通大学硕士毕业论文现将本次现场试验的测点及布设情况详述如下：①管顶切向测点选取及应变片布设对于管顶切向应变的测设，现场试验把试验测试位置选取在钢波纹管管顶处。具体测设位置为，自距路基中心线2.45m处开始沿管顶纵向布设切向应变片。切向应变片的布设以分组进行，取每一个完整的波形内相邻的波谷与波峰为一测试组，并把每组应变片按照波谷、波峰顺序进行布置并编号。其中每组间的间距为0.45m（4组和5组之间为2.7m如图3-2所示），依据上述应变片布设规则，管顶切向应变片布设总量为25×2=50个，如图3-2所示。图3-2管顶切向应变测区位置及测点编号（单位：厘米）②管周切向应变试验断面选取及测点布设对于钢波纹管管周切向应变试验应变片的布设，其测设位置及应变片分布如下：测设地点选在距离路基中心线2m处（测设位置位于超车道下方，如图3-3路中测区位置所示），分别取钢波纹管内壁中半个波形内相邻的波谷、波侧、波峰三个断面布设应变片。并且每个测设断面（圆周）按照图3-4布设10个测点，这10个测点分别分布在0°到315°之间，具体为0°、45°、60°、90°、135°、180°、225°、270°、300°、315°。每个圆周断面10个测点，三个断面共30个，具体测点及应变片分布位置分布如图3-4断面圆周测点布设和图3-5断面测点编号。图3-3路中测区位置（图中尺寸单位：厘米）16 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究图3-4断面圆周测点布设图3-5断面测点编号3.2.3现场试验工况布设及现场试验过程本次现场试验测试用车为斯太尔，车辆具体参数如下：车辆轴距4.5m，中轴、后轴轮距均为1.8m，车辆装载结束后总重34.64T，中和后轴总重26.8T。具体现场试验荷载的施加位置如图3-2所示。现场试验分别在超车道、行车道以及应急车道进行三组平行试验，每组的荷载加载点位布设以涵管中心为对称点，向两侧对称进行，荷载加载位置依次为距管涵中心：0m、±0.75m、±1.5m、±2.5m、±3.5m、17 重庆交通大学硕士毕业论文±4.5m、±5.5m、±6.5m、±8.5m、±10.5m、±12.5m、±14.5m（每组试验的测试范围29m），三组试验测试点位总共69个。其中注意，距涵洞中心越近，荷载加载位置之间的间距应相应减少，如上所述。三组试验的顺序依次超车道→行车道→应急车道，每个工况保证只在一个行车道上加载。三种工况下，测试起点是一致的，即都是一侧最远处（距管涵中心－14.5m），三组测试车辆每次的加载位置变化为－14.5m→－12.5m→－10.5m→……→10.5m→12.5m→14.5m，如图3-6车辆荷载测试点布设及工况布置图，对于荷载加载位置的确定，现场试验时以车辆荷载中轴和后轴的连线中心与所测点位对准为准。试验测试过程：按照应变片编号连线→连接应变仪器→进行平衡调试→测试初始应变值并保存→施加车辆荷载→测试应变值并保存。图3-6车辆荷载测试点位布设及工况布置图3.3应变现场试验数据整理分析为准确描述现场试验，现将现场试验数据整理与分析思路按如下步骤进行：①管顶切向应力测试现场试验分三个工况，分别为试验荷载加载在超车道、行车道、紧急停车道进行；对于管顶切向应变实验数据处理分波峰与波谷两部分；不同工况数据分析又细分固定加载位置时波峰或波谷处应变随应变片位置变化、同一位置处应变随不同加载位置变化两种情况。②管周应变的现场试验同样分三种工况，分别为试验荷载加载在超车道、行车道、紧急停车道进行；管周应变数据处理分波峰、波侧、波谷进行；测设每种工况下具体每一个断面不同位置处的应变（如图3-4）随加载位置不同而产生的变化规律。3.3.1管顶切向应变分析①试验车辆沿超车道方向加载时管顶切向应变给出管涵管顶波谷、波峰处应变情况。图3-7、图3-8给出管顶波谷处应变情18 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究况，图3-7为波谷加载位置一定时切向应变随应变片位置变化图；图3-8为波谷同一位置切向应变随不同加载位置变化图。图3-9、图3-10为管顶波峰处应变情况，图3-9为波峰加载位置一定时切向应变随应变片位置变化图；图3-10为波峰同一位置切向应变随不同加载位置变化图。80-14.5-12.560-10.5-8.5-6.540-5.5ε-4.5μ20-3.5/-2.5值0-1.5变-0.750-20应0.751.5-402.53.5-604.55.52549.538.527.516.505.594.583.572.561.5511549.538.527.516.505.596.5.2.3.4.5.6.7.8.9.0..1.2.3.4.5.8.5234566789101121314151510.51111111应变片位置/m12.514.5图3-7波谷随应变片位置变化切向应变变化图2.45802.93.35603.86.56.95ε407.47.85μ208.3/8.75值09.29.65变10.1-20应10.551111.45-4011.912.35-6012.855555555555555555555555513.25555555.4.3.2.1.0.9.8.7.6.5.4.3.2.1.0.0..2.3.4.5.6.7.8.9.....13.710123414.151-1-1-1-1-----------1111114.6车辆荷载位置/m15.0515.5图3-8波谷随车辆荷载变化切向应变变化图80-14.5-12.560-10.5-8.540-6.5ε-5.5-4.5μ/20-3.5-2.5值0-1.5变-0.75-20应00.75-401.52.53.5-604.5555555555555555555555555555555555.572727272727272727272727272727272059483726150493827160594837261506.5................................8.5222334455667778899010111111121213131414151516110.5应变片位置/m12.514.5图3-9波峰随应变片位置变化切向应变变化图19 重庆交通大学硕士毕业论文2.525602.9753.4253.875406.5757.025ε207.4757.925μ8.375/8.8250值9.2759.725-20变10.175应10.62511.075-4011.52511.97512.425-6012.8755555513.3255555555555555555555555555.4.3.2.1.0.........................13.775987654321001234567890123414.2251-1-1-1-1-----------1111114.675车辆荷载位置/m15.12515.575图3-10波峰随车辆荷载变化切向应变变化图当车辆沿超车道在不同位置加载时，由图3-7看出，波纹管管顶纵向3.8m到4.25m范围内和15.5m（管端）附近波谷位置始终处于受拉状态，且在3.8m处发生较大应变，而其他位置的应变值变化不大，另在6.95m~8.3m（位于行车道下方）、11.45m~12.8m（路肩与边坡交界处）应变值变化比较剧烈。由图3-8看出，当加载车辆自-14.5m~1.5m行驶过程中，管顶波谷受到的应变总体较为均匀稳定，变化不大。随着车辆沿1.5m~14.5m继续行驶，波纹管管涵管顶波谷应变整体表现出拉应变减小、压应变增大的趋势。由图3-9和图3-10可以看出，管顶波峰处除管顶纵向2.525m~2.975m（位于超车道下方）和10.175m（位于应急车道下方）波峰处产生拉应变集中现象，而其余位置产生压应变，并且此压应变较为均匀。另由图3-8和3-10可以看出，管顶波峰切向应变随荷载移动的变化规律与管顶波谷基本相似，即当车辆荷载位于-14.5m~1.5m时管顶波峰应变值稳定，当车辆荷载位于1.5m~14.5m时管顶波峰整体处拉应变减小，压应变增大的趋势。综合以上比较可以看出，当车辆沿超车道方向在不同位置加载时，管顶波谷处的切向应变变化波动较为明显，而管顶波峰处除2.525m~2.975m和10.175m处有应变集中现象，而其他位置应变较为均匀；布设于超车道下方(2.525m~2.975m)的应变片在波谷与波峰位置呈现拉、压相反的应变状态（波谷处于受压状态、波峰处于受拉状态）。而管顶波谷和波峰位置切向应变随车辆荷载加载位置不同的变化规律是相似的。②试验车辆沿行车道方向加载时管顶切向应变给出管涵管顶波谷、波峰处应变情况。图3-11、图3-12为波谷处应变情况，图3-11为波谷加载位置一定时切向应变随应变片位置变化图；图3-12为波谷同一位置切向应变随不同加载位置变化图。图3-13、图3-14为波峰处应变情况，图3-13为波峰加载位置一定时切向应变随应变片位置变化图；图3-14为波峰同一位置切向应变随不同加载位置变化图。20 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究60-14.5-12.550-10.5-8.5-6.540-5.5ε-4.5μ30-3.5/-2.5值-1.520变-0.750应100.751.502.53.54.5-105.52549.538.527.516.505.594.583.572.561.5511549.538.527.516.505.596.5.22.33.44.55.66.67.78.89.901.0.111.221.331.441.551.58.5111111110.5应变片位置/m12.514.5图3-11波谷随应变片位置变化切向应变变化图2.45602.93.35503.86.56.95ε407.47.85μ8.3/308.75值9.29.65变2010.1应10.55111011.4511.912.35012.855555555555555555555555555555513.25..............................13.743210987654321001234567890123414.151-1-1-1-1-----------1111114.6车辆荷载位置/m15.0515.5图3-12波谷随车辆荷载变化切向应变变化图60-14.5-12.550-10.5-8.5-6.540ε-5.5-4.5μ/30-3.5-2.5值20-1.5变-0.75应1000.751.502.53.5-104.5555555555555555555555555555555555.5727272727272727272727272727272726.505948372615049382716059483726150.2.2.2.3.3.4.4.5.5.6.6.7.7.7.8.8.9.9.0.0.1.1.1.2.2.3.3.4.4.5.5.68.51111111111111110.5应变片位置/m12.514.5图3-13波峰随应变片位置变化切向应变变化图2.525502.975403.425ε303.875μ/6.57520值7.025变10应7.47507.9258.375-105555555555555555555555555555558.825..............................43210987654321001234567890123411111----------111119.275-----车辆荷载位置/m9.72510.175图3-14波峰随车辆荷载变化切向应变变化图10.62511.07511.525由图3-11和图3-12看出，当车辆沿行车道方向不同位置加载时，当加载位置11.97512.425距离涵管较远时（位于-14.5m～-8.5m），此范围内管顶波谷位置整体切向应变较为12.87513.325接近，且均产生拉应变，并随车辆按行驶方向行进呈逐渐增大趋势。后随着车辆13.77514.22514.6721515.12515.575 重庆交通大学硕士毕业论文的继续移动，除超车道（管顶纵向2.45m~3.8m）下方拉应变继续增大外，其余车道处拉应变基本保持稳定。另由图3-12看出，当车辆荷载位于距管涵体中心-1.5m~1.5m（即荷载位于管涵体上）时，管顶波谷位置整体拉应变有减小趋势。由图3-13和图3-14看出，当车辆沿行车道方向不同位置加载时，波峰位置在管顶纵向2.975m（超车道下方）和10.175m处（应急车道下方）有微弱的应变集中现象产生，其他位置的应变状态及应变变化规律与管顶波谷处基本相同，故不再赘述。由以上叙述可知，当车辆沿行车道方向不同位置加载时，管顶波谷与波峰位置的应变变化规律基本相同。当车辆加载位置距离涵管较远时，波纹管涵管整体受到拉应变，应变值较接近，随车辆加载位置的变动（按行驶方向）拉应变逐渐增加，当车辆自-8.5m处开始，超车道下方涵管应变继续增加产生较大的拉应变，而其他位置则保持稳定状态，基本不变，并且当车辆加载位置位于-1.5m~1.5m（管涵体上）时，拉应变整体减小。③试验车辆沿应急车道方向加载时管顶切向应变120-14.5-12.5100-10.5-8.5-6.580-5.5ε-4.5μ60-3.5/-2.5值40-1.5变-0.750应200.751.502.53.54.5-205.52549.538.527.516.505.594.583.572.561.5511549.538.527.516.505.596.5.22.33.44.55.66.67.78.89.901.0.111.221.331.441.551.58.5111111110.5应变片位置/m12.514.5图3-15波谷随应变片位置变化切向应变变化图2.451202.93.351003.86.56.95807.4με7.85608.38.759.2409.65应变值/10.12010.551111.45011.912.35-2012.813.2513.70.51.52.53.54.55.56.57.58.59.514.15-14.5-13.5-12.5-11.5-10.5-9.5-8.5-7.5-6.5-5.5-4.5-3.5-2.5-1.5-0.510.511.512.513.514.514.615.05车辆荷载位置/m15.5图3-16波谷随车辆荷载变化切向应变变化图22 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究120-14.5-12.5100-10.5-8.580-6.5ε-5.5-4.5μ60-3.5/-2.5值40-1.5变-0.75应2000.751.502.53.5-204.5555555555555555555555555555555555.570257924782377227621752074297328722771267025792478237722762175206.5.2.2.2.3.3.4.4.5.5.6.6.7.7.7.8.8.9.9.0.0.1.1.1.2.2.3.3.4.4.5.5.68.51111111111111110.5应变片位置/m12.514.5图3-17波峰随应变片位置变化切向应变变化图2.5251202.9753.4251003.8756.5757.025807.475ε7.925μ608.375/8.825值409.2759.725变10.175应2010.62511.07511.525011.97512.425-2012.87555555555555555555555555555555513.325..............................13.77543210987654321001234567890123414.2251-1-1-1-1-----------1111114.675车辆荷载位置/m15.12515.575图3-18波峰随车辆荷载变化切向应变变化图由图3-15和图3-16看出，车辆沿应急车道不同位置加载时，当车辆荷载距涵管较远时（位于-14.5m～-4.5m），管顶波谷位置应变较为接近，处于整体受拉，且随着荷载位置的移动应变值有逐渐增大的趋势。后随着车辆的继续行驶（自-3.5m处），除管端（15.5m处）外管涵整体拉应变减小，并且局部（行车道下方管顶6.5m和7.4m处）出现压应变，当车辆行驶至12.5m时，受压处压应变开始减小，而受拉处的拉应变则基本保持不变，在此过程中（自-3.5m～14.5m）管端（15.5m处）位置呈现出与此相反的应变变化规律。由图3-17和图3-18看出，车辆沿应急车道方向加载时波峰随应变片位置变化切向应变的变化规律与车辆沿行车道加载时的应变规律基本相同，只是数值不同而已，均在管顶纵向2.975m（超车道下方）和10.175m处（应急车道下方）有微弱的应变集中现象产生，其他位置接近；对比图3-16和图3-18得出波峰与波谷随应变片位置切向应变的变化规律相似。综合以上比较分析可看出，当车辆荷载沿应急车道加载时，管顶波谷与波峰位置的应变变化状况基本相同。当车辆荷载距离涵管较远时，涵管整体处于受拉状态，拉应变值较为接近，随车辆荷载位置的移动（按行驶方向）拉应变逐渐增23 重庆交通大学硕士毕业论文加，当车辆自-3.5m处开始，管端（15.5m处）与除该点之外的管涵整体产生相反的拉压变化规律。3.3.2管周切向应变分析①荷载作用下波谷断面切向应变给出车辆分别在三种工况下波谷断面不同圆周位置处切向应变随荷载加载位置不同时的变化规律。如图3-19、图3-20、图3-21，其中图3-19为车辆荷载沿超车道方向加载时波谷不同位置处切向应变随加载位置变化图，图3-20为车辆荷载沿行车道方向加载时波谷不同位置处切向应变随加载位置变化图，图3-21为车辆荷载沿应急车道方向加载时波谷不同位置处切向应变随加载位置变化图。60400ε2045/μ值060变-2090应135-40180测实-60225-80270300-1005432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-19车辆荷载沿超车道行驶时波谷切向应变图60500ε4045/μ值3060变2090应135测10180实0225-10270300-205432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-20车辆荷载沿行车道行驶时波谷切向应变图24 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究50400ε45/μ30值60变2090应135测10180实2250270300-105432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-21车辆荷载沿应急车道行驶时波谷切向应变图如图3-19所示，车辆荷载沿超车道方向加载情况下，当荷载加载位置位于起点（－14.5m）时，波谷断面处除管底（管周180°处）产生正应变（拉应变）以外，其余各点的切向应变接近于0，随着荷载由起点向管涵位置移动过程中（荷载加载位置未达到管涵中心），波谷断面不同位置各点的应变数值基本变化不大，当车辆荷载驶离管涵中心点后，管涵另一侧各点所测应变的变化速率有逐渐增大的趋势，具体体现在管底的拉应变相应减小、管底以外的其他各点的压应变相应增大。对荷载条件下沿波谷断面不同角度各测点的切向应变对比发现，在波纹管管底有明显峰值出现，最大值为46.8με，这说明管底位置处出现明显的应力集中现象。在整个工况试验过程中，随加载位置的不同，波谷断面管底始终处于拉应变状态，而管底以外的其他各点始终处于压应变状态。如图3-20所示，车辆荷载沿超车道方向加载情况下，由起点－14.5m向距离涵管中心－1.5m（管侧）移动过程中，除管周300°位置外，其他各点的切向应变呈现受拉状态，且拉应变呈增大的趋势。当车辆荷载作用在管涵上方时（－1.5m至1.5m），由于管子整体受压，受荷载传递效应影响，各点拉应变减小（尚未出现压应变），当车辆加载位置远离波纹管管涵中心时，各点的拉应变又有增大趋势，峰值位于车辆荷载作用于6.5m处，然后随着加载位置远离而逐渐减小。而在管周300°测点，当加载位置从－14.5m变化到－2.5m测点处产生拉应变，当加载位置位于－1.5m至1.5m时，此时测点受压并基本保持恒值，1.5m后测点的受压情况呈减小趋势。随荷载位置移动，当荷载位置达到6.5m处时，测点再次变为受拉状态，经短暂的小幅度增长变为稳定状态。由图可知，涵管在车辆荷载作用位置移动全过程中受力有很好的对称性。对比分析波谷断面处的不同角度各测点切向应变可看出，0°到180°、315°位置应变比较平稳且应变量接近，在管周225°、270°（靠近起点端管侧）处拉应变偏大，管周300°位置有较大压应变产生。在整个工况试验过程中，随加载位置的不同，波谷断面除300°处其他各切向应变始终处于拉应变状态，而300°处切向应变有拉压应变状态的转换，且与加载位置有较好的25 重庆交通大学硕士毕业论文对称性。如图3-21所示，车辆荷载沿应急车道方向加载情况下，由起点－14.5至－4.5m段管涵整体受拉且呈现增大趋势，由－4.5m至荷载作用在波纹管整体（距管中心1.5m左右）上方时，拉应变呈减小趋势，并在1.5m处出现最小值，随后随着荷载作用位置的远离，管涵拉应变呈逐渐增大趋势。在整个工况试验过程中，随加载位置的不同，不同角度测点位置的切向应变变化规律可以概括为：在管侧90°（远离起点端管侧）处应变值最大，其他角度各测点的应变值比较接近，它们的差异不大，说明管涵整体的受力比较均匀。②荷载作用下波侧断面切向应变40200ε045/μ值60-20变90应-40135测180-60实225-80270300-1005432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-22车辆荷载沿超车道行驶时波侧切向应变图50400ε45/μ值3060变90应20135测180实2251027030005432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-23车辆荷载沿行车道行驶时波侧切向应变图26 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究60500ε4045/μ60值30变90应20135测18010实2250270300-105432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-24车辆荷载沿应急车道行驶时波侧切向应变图由图3-22可看出，车辆荷载沿超车道方向加载时，在车辆自－14.5m至－1.5m的行进过程中，波侧断面除135°、180°、270°位置切应变处于受拉状态外，其他位置切应变整体处于受压状态，且各处应变值比较接近，波侧管周135°、180°、270°位置产生较为接近的拉应变，后随着车辆荷载的继续移动，开始出现压应变，并且从图3-22中可以看出这三个位置的压应变要明显小于其他位置。车辆荷载位置超过-1.5m后除波侧管周135°、180°、270°位置外，其他位置压应变随荷载向14.5m移动呈现增大趋势，并在14.5m处达到最大值。由图3-23可以看出，车辆荷载沿行车道方向加载时，波侧各断面位置整体产生拉应变，且测点变化趋势基本相同，可以分为两个梯度管周0°、45°、60°、90°、135°、180°、315°位置的应变值比较接近均较小，225°、270°、300°位置应变值变化较为接近且较大。由图3-24可以看出，车辆荷载沿应急车道方向加载时，波侧断面各位置应变处于整体受拉状态，除管周60°、135°测点处应变值较大以外，圆周测点的其他位置都呈现比较接近的拉应变。③荷载作用下波峰断面切向应变0-200ε45/μ值-4060变90应-60135测180实225-80270300-1005432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-25车辆荷载沿超车道行驶时波峰切向应变图27 重庆交通大学硕士毕业论文50400ε45/μ值306090变应20135测180实1022527030005432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-26车辆荷载沿行车道行驶时波峰切向应变图60500ε4045/μ60值3090变应20135测18010实2250270300-105432109876543210123456789012345315111111---------111111------荷载距管中心位置/m图3-27车辆荷载沿应急车道行驶时波峰切向应变图由图3-25可以看出，车辆荷载的加载位置沿超车道方向加载的情况下，涵管整体受力的均匀性较好，处于受压状态，除管周315°位置外，波峰断面的应变值整体较为接近，在相同荷载条件下，同一断面的各个测点的应变值基本为恒值，而在荷载作用位置远离管涵上方后，315°处的应变值有所波动，整体压应变有微增趋势。总体来看，以荷载作用在涵管上为界，当荷载跨过涵管中心时，压应变整体呈增大趋势。由图3-26可以看出，车辆荷载沿行车道方向加载的情况下，涵管整体处于受拉状态，且波峰断面处受到的拉应变明显分为两个梯度，管周0°到180°位置的应变值较小，225°到315°应变值较大，整体以荷载作用涵管上时为界，靠近涵管中心拉应变呈减小趋势，应变曲线均保持较平稳的变化，无特别大的突变发生。由图3-27可以看出，车辆荷载沿应急车道加载的情况下，波峰断面整体处于受拉状态。除管周45°、180°位置拉应变值较大外，其他位置产生较为稳定的拉应变，差异较小。④角度相同、不同断面的应变值对比分析对比图3-19、图3-22、图3-25，当车辆荷载加载位置沿超车道加载时，对比28 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究管周相邻的波谷、波侧和波峰断面测点处切向应变可以看出，管周0°~90°、225°、300°测点处应变基本一致，三者应变值变化不大。除波侧135°、270°测点处在加载位置由起始测点（－14.5m）移动到管侧（－1.5m）时出现受拉状态外，断面波谷、波峰处135°、270°测点处压应变基本一致。管周180°在波谷→波侧→波峰的研究顺序下，管涵整体的变化规律为：随荷载位置移动拉应变开始减小，进而出现开始压应变，并且压应变呈增大趋势。对于波谷和波侧315°测点处压应变变化相似，而波峰315°测点处压应变比前两者为大。对三者整体分析可以发现，当测点截面位置不同时，钢波纹管沿周向切向应变出现较大差异的测点主要位于管周135°、180°、275°处。除此之外，管涵整体应变的变化趋势是：应变集中逐渐向应变平均转变。对比图3-20、图3-23、图3-26，当车辆加载位置沿行车道方向时，可以看出相邻圆周断面波谷、波侧和波峰测点整体受拉，并且在0°~270°范围内测点处波谷、波侧和波峰的变化情况基本一致，应变值比较接近。波谷300°测点处拉应变相对较小，并且加载位置位于管体上时出现压应变，波侧和波峰300°位置均呈现稳定的较大拉应变。对于波谷及波侧315°测点处拉应变值较为接近，而波峰315°测点处拉应变较大。对比圆周横断面三者应变情况发现，车辆荷载沿行车道方向加载时，路中钢波纹管相邻波谷、波侧、波峰位置除300°和315°外，其余各点应变几乎相同，具有较强的一致性，而随着波形由波谷→波侧→波峰变化过程中，管周300°和315°两处的切向应变由剧烈的突变状态向稳定的均匀应变转换。对比图3-21、图3-24、图3-27，当加载位置沿应急车道方向加载时，路中钢波纹管圆周横截面相邻波谷、波侧和波峰位置均出现应力集中的现象，但三者应力集中形成的位置不同，对于波谷断面位于90°、60°测点位置；对于波侧断面位于135°、45°测点位置、对于波峰断面位于180°测点位置。通过对比以上图3-21、图3-24、图3-27还可以发现应力集中测点位置随着研究顺序波谷→波侧→波峰的波形改变，一般分布在管侧90°位置，并向上、下两侧发生转移。排除以上应力集中测点外，三者其他测点处应变值比较接近且基本保持稳定。⑤角度相同、不同断面测点处应变值的变化趋势分析当加载位置沿超车道方向加载时，比较图3-19、图3-22、图3-25可以发现，随着加载位置的变化，角度相同的不同断面处波谷、波侧和波峰各测点应变的变化规律较为相似，这表明尽管不同断面相同角度测点处的切向应变值存在差异，但三种断面测点处的变化趋势是基本相同的。对应车辆荷载在行车道和应急车道方向加载时的情况，对比图3-20、图3-23、图3-26，和图3-21、图3-24、图3-27可发现有相同的结论。29 重庆交通大学硕士毕业论文3.4管涵挠度试验方案3.4.1试验方法及目的管涵挠度现场试验采用百分表测试车辆荷载作用下波纹钢涵洞的挠度，测试工况是以测试车辆位置变化为准，测试时在管顶与管底分别焊接一条钢筋作为百分表的测试支架进行测试。挠度测试的主要目的是研究钢波纹管涵洞在荷载作用下竖向整体宏观变形的规律。这对于研究钢波纹管涵洞变形的研究有很重要的意义。3.4.2管涵挠度试验测点布设及流程在超车道、行车道、应急车道下方各布设一个测点测试车载作用下波纹钢涵洞的挠度。分别沿超车道、行车道、应急车道方向加载车辆荷载，测试范围为管涵跨中至管外10米处（测试范围10米）。以管中间跨中位置为坐标0点，车辆荷载加载点位分别布设为：0m、0.5m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、10m，测试点位为13个。在超车道、行车道、应急车道共平行测试3组，共39个测试点位。如图3-28为3m钢波纹管涵洞挠度试验车辆荷载加载位置所示。图3-283米波纹钢涵洞挠度试验车辆荷载加载位置示意图其中1-1到1-7、2-1到2-7、3-1到3-7之间的距离为0.5米，1-7到1-12、2-7到2-12、3-7到3-12之间的距离为1米，1-12到1-13、2-12到2-13、3-12到3-1330 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究之间的距离为2米，2-1到2-13为行车道、3-1到3-13为应急车道，1-1到1-13为超车道。本现场试验钢波纹管涵洞直径3米，管顶填土高度为2.6米，车辆荷载为后轴重13.28吨，总重17.38吨。车辆按照图3-28的位置布置进行加载试验。涵洞挠度测试过程如图3-29、3-30所示，其中图3-29为测试挠度用钢筋布置图；图3-30为测试挠度用百分表与钢筋连接图。图3-29测试挠度用钢筋布置图图3-30测试挠度用百分表与钢筋连接图3.5管涵挠度试验测试结果分析对于管涵挠度的实验数据整理如表3.1、表3.2、表3.3所示，其中表3.1为车辆荷载在超车道不同位置加载时直径3米钢波纹管涵洞挠度现场试验结果；表3.2为车辆荷载在行车道不同位置加载时直径3米钢波纹管涵洞挠度现场试验结果；表3.3为车辆荷载在应急车道不同位置加载时直径3米钢波纹管涵洞挠度现场试验结果。由于公路中最主要的三个车道，超车道和行车道为车辆经常使用车道，而应急车道为车辆不经常使用车道，所以本实验给出车辆荷载分别作用在行车道、超车道、应急车道时行车道下方和超车道下方直径3米钢波纹管涵洞挠度现场实测数据，并对其进行分析。31 重庆交通大学硕士毕业论文表3.1车辆荷载在超车道时直径3米波纹管挠度现场实测结果（单位：mm）挠度测点位置超车道下方行车道下方测试工况编号工况1-10.0500.015工况1-20.0490.015工况1-30.0400.010工况1-40.0330.009工况1-50.0260.009工况1-60.0210.009工况1-70.0200.009工况1-80.0140.002工况1-90.0100.001工况1-100.0090.001工况1-110.0090.000工况1-120.0090.000工况1-130.0090.000表3.2车辆荷载在行车道时直径3米波纹管挠度测试数值表（单位：mm）挠度测点位置超车道下方行车道下方测试工况编号工况2-10.0510.052工况2-20.0490.040工况2-30.0380.031工况2-40.0280.022工况2-50.0200.015工况2-60.0150.010工况2-70.0110.006工况2-80.0080.004工况2-90.0050.002工况2-100.0020.001工况2-110.0010.000工况2-120.0000.000工况2-130.0000.00032 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究表3.3车辆荷载在紧急停车道时直径3米波纹管挠度测试数值表（单位：mm）挠度测点位置超车道下方行车道下方测试工况编号工况3-10.0150.031工况3-20.0130.028工况3-30.0100.021工况3-40.0090.015工况3-50.0080.012工况3-60.0060.010工况3-70.0030.006工况3-80.0020.003工况3-90.0010.001工况3-100.0000.000工况3-110.0000.000工况3-120.0000.000工况3-130.0000.000图3-31给出了表3.1车辆荷载在超车道不同位置加载时直径3米钢波纹管涵洞挠度现场试验结果的变化图。图3-31车辆荷载在超车道时直径3米波纹管挠度测试数值变化图对图3-31分析可得到以下结论:①当车辆荷载加载在超车道下波纹管管顶时，波纹管所产生的变形最大，其中超车道下方管顶变形达0.05mm。管中产生的变形远大于管两侧的变形，是管两侧变形的2.3倍。②从挠度变化梯度值可看出，波纹管所产生的两次变形幅度最大值在距管中心0.5m到1m和距管中心3m到4m之间。这是因为当荷载在管顶时（0m位置），土层最薄，车辆荷载大部分力作用在钢波纹管上，而当荷载在0.5m到1m之间时，33 重庆交通大学硕士毕业论文此时土层较厚，土层减弱了一部分力，从而使作用在波纹管上的力大大减小，所以此时变化幅度最大。当荷载在距管中心3m到4m之间，此时已远离波纹管1.5米，车辆荷载主要作用在土层上，波纹管受力较小。图3-32给出了表3.2车辆荷载在行车道不同位置加载时直径3米钢波纹管涵洞挠度现场试验结果的变化图。图3-32车辆荷载在行车道时直径3米波纹管挠度测试数值变化图对图3-32分析可得到以下结论:①当车辆荷载加载在行车道下波纹管管顶时，波纹管所产生的变形最大，其中管中与管两侧的变形相当，分别为0.051mm和0.052mm。②随着车辆荷载作用位置远离波纹管，其挠度值也随之减小。这说明路基较低时，路基传递的荷载范围较小，行车荷载作用的区域较小，只对其周围产生较大的影响，远离行车荷载的位置，其作用力很小。从挠度变化梯度值可以看出，波纹管所产生的变形幅度最大值超车道在距管中心0.5m到1m之间，行车道在距管顶（0m位置）到距管中心0.5m之间。图3-33给出了表3.3车辆荷载在应急车道不同位置加载时直径3米钢波纹管涵洞挠度现场试验结果的变化图。图3-33车辆荷载在应急车道时直径3米波纹管挠度测试数值变化图对图3-33分析可得到以下结论:①车辆荷载作用在应急车道下钢波纹管管顶时，波纹管所产生的变形最大，其中行车道变形0.031mm，超车道0.015mm。可以看出荷载作用在应急车道时，钢34 第三章钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究波纹管最大变形值远低于荷载在超车道和行车道的最大值。两条曲线的变化趋势都是一样的，其中行车道下方的挠度值下降的较快，并且两个曲线在荷载位置位于管涵中心5m以外时挠度数值趋近相等。②从挠度变化梯度值可以看出，波纹管所产生的两次变形幅度最大值在距管中心0.5m到1m之间和2.5m到3m之间。3.6本章小结①钢波纹管管顶切向应变现场试验1）车辆沿不同的车道行驶时，波纹管同一位置产生的应变不同。当车辆沿超车道和行车道行驶时，波纹管管顶应变有突兀的剧烈变化产生，而当车辆沿应急车道行驶时，波纹管整体应变较为稳定。2）当车辆沿超车道行驶时，同一个波形内相邻的波谷、波峰应变值不同，而当车辆沿行车道和应急车道行驶时，同一个波形内相邻的波谷、波峰应变值基本相同。3）车辆沿同一条车道行驶时，波纹管同一个波形内相邻波谷、波峰位置的应变随荷载移动时的变化规律的趋势是相同的。②钢波纹管管周切向应变现场试验1）当荷载加载位置从超车道到行车道，再到应急车道改变时，处在超车道下的涵洞波谷、波侧和波峰三断面的切向应变的规律为：首先表现为压应变为主的状态，然后变为拉应变为主的状态，最后出现拉应变集中现象。2）对管涵轴线由波谷→波侧→波峰处于角度相同、断面位置不同的测点来说，当加载位置位于超车道时，管涵测点的应变值变化规律表现为由分散到均匀的趋势，当加载位置位于行车道时，距起始点较近的半圆周内（180°到315°）表现出由剧烈的突变状态向稳定的统一应变转换的趋势，当加载位置位于应急车道时，距起始点较远的半圆周（30°到180°）表现出应力集中区域自管侧（90°位置）向上下转移的趋势。3）当加载位置沿不同的车道改变时，随着加载位置的移动，对于角度相同、断面位置不同的各个测点的应变变化规律是相似的，这表明尽管不同断面（波侧、波谷和波峰）相同角度测点处的切向应变值存在差异，但三种断面测点处的变化趋势是一致的。③钢波纹管挠度现场试验1）随着车辆的远离波纹管，其挠度值也随之减小，并且变化较平缓，在一定情况下相对比的两条车道的挠度数值会趋向一致。2）行车荷载不管作用于行车道、超车道还是紧急停车道，当其正处于钢波纹35 重庆交通大学硕士毕业论文管上方时所产生的挠度值是相关工况里面最大的。这主要是当车辆荷载位于管涵上方时，由于荷载作用使得管涵发生较大的挠度。36 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟本章主要进行低路堤重载交通下钢波纹管涵洞的受力性能及其与路基变形协同性的研究。主要通过室内模拟，理论计算低路堤荷载作用下的管涵变形及受力特征，研究钢波纹管涵洞的与路基变形的协同性，探索钢波纹管涵洞变形与路基变形的差异性。并对不同结构材料的涵洞类型在相同工况条件下变形性能进行比较，得出钢波纹管涵洞柔性变形的优势所在，并初步探讨影响钢波纹管涵洞变形性能的因素，以期望对钢波纹管涵洞施工过程进行理论指导。4.1数值模拟的意义及原理4.1.1数值模拟的意义采用现场试验来研究钢波纹管涵洞的变形及其规律，很明显可以得到很真实的涵洞变形数值及其变化规律，但是由于现场试验时各种条件的限制，使得我们能够得到的试验数据比较有限，如果我们要研究不同材料参数、不同管径尺寸等变化时，只采用现场试验很难达到要求。而数值模拟能很好的解决上述问题，而且方便快捷，只需要我们通过改变模型尺寸、材料参数等就能很好的实现，可以得到现场试验无法得到的效果。利用计算机数值模拟除了有方便工作之外，还可以弥补由于现场试验误差造成的结果失准，因为对于同一结构而言，由于受地形条件、荷载加载情况、涵洞施工类型与填土类型等因素的不同，进而影响钢波纹管涵洞力学性能的因素较多，如果只有一次现场试验得到的数据及相关规律可能会存在较大差异。就本文研究内容来说，主要研究低路堤重载交通下钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协调性，如果只用现场试验的话，只能得到钢波纹管涵洞的变形性能及挠度变化，对于给定位置的位移变化侧很难测出，更难以得到钢波纹管涵洞与路基变形的协调规律。如果用数值模拟的方法则能很好的解决上述问题，能够得出我们想要的模型内任意一点的变形数值（包括钢波纹管涵洞和路基），进而可以很好的分析低路堤重载交通下钢波纹管涵洞与路基变形协调性规律。4.1.2有限元模拟的原理①对结构进行离散化这一过程主要是将待分析结构物进行有限元单元体的离散分割，并且在相应37 重庆交通大学硕士毕业论文位置设置节点，使相邻单元的有关参数具有一定的连续性，并构成一个单元的集合体，以它替换要进行分析的结构。②选择位移模式为了能用上述节点的位移较准确的表示单元体某些特性（如应力、应变、位移等），在对连续体的问题进行分析时，我们需要位移进行假定，通常假设其是坐标的特定简单函数，我们称之为位移模式，也叫插值函数。有限元分析时根据已经选择的位移模式，就可以确定用节点位移表示的单元内任意一点位移的关系式，其矩阵形式是：=Ne（4.1）式中为单元内任一点的位移列阵；e为单元的节点位移列阵；N为形函数矩阵。③对单元的力学性能进行分析利用几何方程，由位移表达式（4.1）导出用节点位移表示单元应变的关系式=Be（4.2）式中为单元内任一点的应变列阵；B为单元应变矩阵。利用本构方程应力应变的关系，就可以由式（4.2）进一步推导出单元应力的表达式=DDBe（4.3）式中为单元内任一点的应力矩阵；D为与单元材料有关的弹性矩阵。通过上述关系式，结合变分原理的理论，就可以得出任意单元的平衡方程。④构建整个结构的平衡方程对上述单元平衡方程进行整合，进而得到整体结构平衡方程。⑤对某些未知节点的位移进行求解结合第4步构建的平衡方程解就可以求出位置的位移。⑥计算所求应力并对结果进行整理根据公式（4.3）和第5步解得节点位移计算各单元的应力，并加以整理得出要求的结果。4.2计算模型及模拟工况4.2.1模型及网格划分38 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟①创建模型钢波纹管的纵向波形是由圆弧曲线和直线共同组成，各相关参数名称如如图4-1所示。我们在创建波纹管模型时，由于波形曲线的对称性，可以先创建一半的曲线线形，然后利用镜像的操作，这样就可以创建出完整的一个波长范围内的波形。要得到所需长度范围内的波形曲线数，只需要按上述方法重复进行即可，用布尔操作的粘贴功能将上述所建波形曲线粘贴起来，最后将上述曲线绕工作轴旋转即可得到所需钢波纹管模型，创建好的波纹管波形曲线如图4-2所示。其中，本次模型所采取的波形参数与现场试验所使用波纹管涵的实际情况保持一致，波长×波高为150×50mm，波纹板厚5mm。关于模型尺寸的选定一般取钢波纹管管周下方、左方和右方各一倍管径尺寸土体，管顶上方土体按照实际尺寸创建。所以本次创建模型所采取的尺寸为管涵左侧填土3.0m（自管壁算起），右侧填土8.0m（模拟加载工况所用），管底1.5m，管顶填土2.6m。由于本项目的波纹管和路基存在夹角，所以在建好土体模型之后将土体绕工作轴按照现场实际情况旋转一定角度，接着运用布尔操作的面切割体的命令将土体沿波纹管面进行体切割，再将管内土体删除，管-土结构几何模型基本完成。图4-1波形示意图图4-2创建波纹曲线②单元类型选取和材料类型在进行有限元模拟时，首先要选定单元类型，波纹管涵结构简化为壳单元，选用shell63，土体简化为实体单元，选用solid45。其中shell63单元是一种4节点弹性壳单元，每个节点具有6个自由度，此单元可以同时承受面内、外的荷载，同时具有壳单元算法和膜单元算法，该单元还考虑了应力刚化效应及大变形效应，其几何模型如图4-3所示。此单元类型对钢波纹管力学性能的适应较好。Solid45单元经常用于构造三维实体结构，单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着x、y、z方向平移的自由度，单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，其几何模型如图4-4所示。壳单元属性选为线弹性材料，土体选为非线性弹塑性材料Drucker-Prager模型，各单元材料参数根据地质条件检测所得，见表4.1。39 重庆交通大学硕士毕业论文图4-3shell63单元示意图图4-4solid45单元示意图表4.1材料参数3类型弹性模量/GPa密度/kg/m泊松比厚度/mm钢波纹管21078500.35土体0.0418500.352600③网格划分为达到应有的计算精度，波纹管的单元形状取四边形，实体单元取六面体，在计算误差允许范围内，尽量减少单元数目，以节省计算的时间。网格划分的顺序为先划分波纹管单元，再划分土体单元。在划分管上单元时，将波纹管分为两部分进行网格划分：规则的完整波形和不规则的残缺波形。规则的完整波形选取映射方式进行划分，得到规则的四边形单元，不规则波形采取自由划分形式。管外周外土体根据波纹管表面的网格形式进行扫射划分。波纹管模型和管-土结构模型划分完的网格单元如图4-5。40 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟图4-5钢波纹管及管土结构模型图④边界条件确定在划分完单元网格后对模型进行加载计算之前，要对模型的边界条件进行设置。边界条件对计算结果影响很大，鉴于波纹管涵洞的施工方法通常采取反开槽回填方式进行，为了与现场实际情况相吻合，模型边界条件确定如下：在所建模型土体下方对所有位移和扭转自由度（加ALLDOF约束）进行约束，管涵两侧施加水平方向约束（加UX约束），模型上方施加荷载。本模型边界条件确定示意图如图4-6所示。图4-6边界条件4.2.2模拟工况确定本有限元模型的计算工况只在单车荷载条件下（简称工况I）研究钢波纹管涵洞与路基结构变形分析，具体的计算工况说明如表4.3。模型中车辆荷载采用与现场试验相同的荷载参数。由《公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）》可得，主要技术指标见表4.2，车辆荷载的立面尺寸以及平面尺寸和加载示意图如图4-7.41 重庆交通大学硕士毕业论文表4.2荷载的主要技术指标项目技术指标项目技术指标车辆总重标准值340KN轮距1.8m前轴重标准值80KN前轮着地宽度及长度0.3m×0.2m中轴重标准值130KN中、后轮着地宽度及长度0.6m×0.2m后轴重标准值130KN车辆外形尺寸（长×宽）6.6m×2.5m轴距/m3.6+1.4表4.3有限元计算工况说明工况编号荷载位置I-1车辆中后轴连线中心位于距离管中线8.5米处I-2车辆中后轴连线中心位于距离管中线6.5米处I-3车辆中后轴连线中心位于距离管中线5.5米处I-4车辆中后轴连线中心位于距离管中线4.5米处I-5车辆中后轴连线中心位于距离管中线3.5米处I-6车辆中后轴连线中心位于距离管中线2.5米处I-7车辆中后轴连线中心位于距离管中线1.5米处I-8车辆中后轴连线中心位于距离管中线0.75米处I-9车辆中后轴连线中心位于管中心处图4-7车辆荷载立面、平面尺寸及加载示意图42 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟4.3钢波纹管应力分析给出钢波纹管涵洞在恒载（填土）和活载（车辆荷载）作用下的应力分析情况。包括波纹管的切向应力分析、轴向应力分析及波纹管圆周切向应力分析。图4-8给出管顶轴向各节点示意图。图4-8管顶轴向各节点示意图4.3.1切向应力分析钢波纹管的切向应力分析包括管顶切向应力分析和管底切向应力分析两部分，两者又分别包括波峰和波谷两种情况。图4-9给出了恒载和活载作用下管涵切向应力图，以荷载作用于管顶正上方时为例（工况I-9）。图4-9恒载+活载（荷载作用于管顶正上方时）管涵切向应力图①管顶切向应力分析1）管顶波峰切向应力分析如图4-10给出车辆荷载作用下管顶波峰各点处切向应力随荷载位置变化图43 重庆交通大学硕士毕业论文1080.3750.67560.97541.27521.5750应力值（Mpa）1.875-22.175-40123456789荷载位置（m）图4-10管顶波峰切向应力随荷载位置变化图2）管顶波谷切向应力分析如图4-11给出车辆荷载作用下管顶波谷各点处切向应力随荷载位置变化图2012345678900.45-20.751.05-41.35-61.65应力值（Mpa）1.95-8-10荷载位置（m）图4-11管顶波谷切向应力随荷载位置变化图从图4-10和图4-11可以看出：在车辆活载作用条件下，钢波纹管管涵涵顶波峰受到拉应力，波谷受到压应力。且两者随荷载位置变动时的变化规律相似。当车辆荷载位置不变时，距离路中线不同距离的波峰、波谷的切向应力变化值恒定。当荷载位于管涵涵顶上方时（工况I-9），管涵在波峰处受到的切向拉应力最大，在波谷处受到的切向压应力最大，同一波峰、波谷处的涵顶切向应力随着荷载位置远离管涵中心呈曲线减小；而应力曲线呈现阶梯式变化，以上变化趋势主要是由于车辆荷载位置的变化而引起的。②管底切向应力分析1）管底波峰切向应力分析如图4-12给出车辆荷载作用下管底波峰各点处切向应力随荷载位置变化图44 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟30.37520.67510.9751.27501.575应力值（Mpa）01234567891.875-12.175-2荷载位置（m）图4-12管底波峰切向应力随荷载位置变化图2）管底波谷切向应力分析如图4-13给出车辆荷载作用下管底波谷各点处切向应力随荷载位置变化图00123456789-10.450.75-21.051.35-31.65应力值（Mpa）-41.95-5荷载位置（m）图4-13管底波谷切向应力随荷载位置变化图从图4-12和图4-13可以看出，与管顶切向应力变化规律相似：钢波纹管管涵涵底波峰基本上受到拉应力，随荷载位置变化出现小部受压状态，涵底波谷受到压应力，荷载位置不变时，距离路中线不同距离的波峰、波谷的切向应力变化值恒定，当荷载位于管涵涵顶上方时（工况I-9），管涵在波峰处受到的切向拉应力最大，在波谷处受到的切向压应力最大。同一波峰、波谷处的涵底切向应力随着荷载位置远离管涵中心而减小。和管顶切向应力变化规律不同的是：涵底的切向应力变化近似于线性。综上可知，钢波纹管涵洞切向应力有限元分析规律性较为明显：无论管顶还是管底，钢波纹管涵洞波峰处切向应力基本上为拉应力，且管顶波峰处拉应力大于管底波峰处拉应力；钢波纹管涵洞波谷处为压应力，且管顶波谷处压应力大于管底波谷处压应力；无论管顶还是管底，不管是波峰还是波谷切向应力的变化趋势基本相同，即随荷载位置远离管涵中心而减小。4.3.2轴向应力分析钢波纹管的轴向应力分析包括管顶轴向应力分析和管底轴向应力分析两部分，两者又分别包括波峰和波谷两种情况。图4-14给出了恒载和活载作用下管涵轴向应力图，以荷载作用于管顶正上方时为例（工况I-9）。45 重庆交通大学硕士毕业论文图4-14恒载+活载（荷载作用于管顶正上方时）管涵轴向应力图①管顶轴向应力分析1）管顶波峰轴向应力分析如图4-15给出车辆荷载作用下管顶波峰各点处轴向应力随荷载位置变化图如图4-16给出车辆荷载作用下管顶波峰各点处轴向应力随距离路中线位置变化图。001234567890.075-10.375-20.6750.975-31.275-41.575应力值（Mpa）1.875-52.175-62.325荷载位置（m）图4-15管顶波峰轴向应力随荷载位置变化图000.511.522.50-10.75-21.52.5-33.5-44.5应力值（Mpa）5.5-56.5-68.5距路中线的距离（m）图4-16管顶波峰轴向应力随距离路中线位置变化图由图4-15和图4-16可以得出：管顶波峰各点处轴向应力为压应力，随荷载位置变化趋势基本相同，且当荷载作用在管涵正上方是压应力值最大，随荷载位置的远离管涵中心逐渐减小；管顶波峰轴向应力随距离路中线位置呈对称变化，中间位置压应力最大，向两端对称减小，这主要是由于荷载加载的对称性决定的。由以上两图可以看出当车辆作用用在距管涵中心8.5米时，管顶波峰轴向压应力和46 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟其他相比较小，最大只为1.196Mpa。2）管顶波谷轴向应力分析如图4-17给出车辆荷载作用下管顶波谷各点处轴向应力随荷载位置变化图如图4-18给出车辆荷载作用下管顶波谷各点处轴向应力随距离路中线位置变化图。760.1550.450.7541.0531.352应力值（Mpa）1.6511.9502.250246810荷载位置（m）图4-17管顶波谷轴向应力随荷载位置变化图76050.751.542.533.52应力值（Mpa）4.515.506.500.511.522.58.5距路中线的距离（m）图4-18管顶波谷轴向应力随距离路中线位置变化图由图4-17和图4-17可以看出：钢波纹管管顶波谷轴向应力为拉应力，车辆荷载作用在涵管中心上方时（工况I-9）拉应力最大，且不同波谷点处的拉应力值均随着荷载远离涵管中心而减小，当荷载位置距离涵管中心8.5米时（工况I-1）最小。荷载位置一定时，波谷轴向应力随距离路中线的距离变化而变化，且呈对称变化，距离路中心1.05米、1.35米时较大，向两边依次减小。②管底轴向应力分析1）管底波峰轴向应力分析如图4-19给出车辆荷载作用下管底波峰各点处轴向应力随荷载位置变化图如图4-20给出车辆荷载作用下管底波峰各点处轴向应力随距离路中线位置变化图。47 重庆交通大学硕士毕业论文-1-1.502468100.0750.375-20.675-2.50.975-31.275应力值(Mpa)-3.51.5751.875-42.175-4.52.325荷载位置（m）图4-19管底波峰轴向应力随荷载位置变化图-1-1.500.511.522.500.75-21.5-2.52.5-33.5-3.54.5应力值（Mpa）5.5-46.5-4.58.5距路中线的距离（m）图4-20管底波峰轴向应力随距离路中线位置变化图由图4-19和图4-20并对比管顶波峰轴向应力分析可以看出：管底波峰轴向应力变化规律与管顶波峰轴向应力变化规律相同，区别主要在于两者压应力值不同。管顶波峰轴向压应力最大值为5.275Mpa，管底波峰轴向应力最大值为4.290Mpa，且两者均出现在1.275米的波峰位置处。2）管底波谷轴向应力分析如图4-21给出车辆荷载作用下管底波谷各点处轴向应力随荷载位置变化图如图4-22给出车辆荷载作用下管底波谷各点处轴向应力随距离路中线位置变化图。5.54.50.150.453.50.752.51.051.35应力值（Mpa）1.51.650.51.9501234567892.25荷载位置（m）图4-21管底波谷轴向应力随荷载位置变化图48 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟5.504.50.753.51.52.52.53.5应力值（Mpa）1.54.55.50.56.500.511.522.58.5距路中线的距离（m）图4-22管底波谷轴向应力随距离路中线位置变化图由图4-21和图4-22并对比管顶波谷轴向应力分析可以看出：管底波谷轴向应力变化规律与管顶波峰轴向应力变化规律相同，区别主要在于两者拉应力值不同。管顶波谷轴向拉应力最大值为6.445Mpa，管底波谷轴向应力最大值为5.051Mpa，且两者均出现在1.35米的波谷位置处。由图4-15～图4-22可以看出：钢波纹管管涵波峰、波谷断面所受轴向应力的规律与切向应力不同，在荷载条件下，波峰轴向产生压应力，波谷产生拉应力，当荷载作用在管涵涵顶中心时，管涵受到的拉、压应力最大，并且波峰、波谷位于车辆荷载宽度范围内的轴向应力值较两端位置略大，荷载作用位置越靠近管涵中心，上述规律越明显；管顶产生的轴向应力大于管底位置。综上可知，钢波纹管涵洞轴向应力有限元分析规律：无论管顶还是管底，钢波纹管涵洞波峰处轴向应力为压应力，且管顶波峰处轴向应力比管底波峰处轴向应力大；钢波纹管涵洞波谷处轴向应力为拉应力，且管顶波谷处轴向应力比管底波谷处轴向应力大；无论管顶还是管底，不管波峰还是波谷，轴向应力的变化规律相似，即轴向应力随荷载位置远离而减小，随距离路中线的位置对称变化，中间位置处应力最大，向两边对称减小。4.3.3沿圆周切向应力分析钢波纹管涵沿圆周切向应力的变化测试取相邻的波谷、波测、波峰处三个断面进行布设，每个断面布10个测点，分布在0°~315°之间，具体布设见现场试验布设方案，如图3-4所示。①管涵波谷沿圆周切应力分析如图4-23给出了管涵波谷沿圆周切向应力随荷载位置变化图如图4-24给出了管涵波谷沿圆周切向应力随角度变化图49 重庆交通大学硕士毕业论文200450123456789-290135-4180应力值(Mpa)-6225270-8315-10荷载位置（m）图4-23管周波谷切应力随荷载位置变化图2000.75050100150200250300350-21.52.5-43.5-64.5应力值（Mpa）5.5-86.5-108.5测点位置图4-24管周波谷切应力随角度变化图从图4-23和图4-24可以看出：当荷载作用在管涵涵顶正上方时，波谷各点应力值均大于其他工况；当荷载位置不变时，管涵圆周管顶0°应力明显大于其他位置，其他角度的应力值接近。②管涵波侧沿圆周切应力分析如图4-25给出了管涵波侧沿圆周切向应力随荷载位置变化图如图4-26给出了管涵波侧沿圆周切向应力随角度变化图0-10123456789045-290-3135-4180225应力值（Mpa）-5270-6315-7荷载位置（m）图4-25管周波侧切应力随荷载位置变化图50 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟0-105010015020025030035000.75-21.5-32.5-43.5-54.5应力值（Mpa）5.5-66.5-78.5测点位置图4-26管周波侧切应力随角度变化图从图4-25和图4-26可以看出：在一定的工况荷载条件下，管涵波侧受到压应力作用；且测点位于90°和270°时的压应力最大，0°和180°时存在应力集中。随着荷载作用位置从管顶上方向一侧路基移动，即由工况I-9~I-1移动时，管涵波侧产生的切向应力逐渐减小。③管涵波峰沿圆周切应力分析如图4-27给出了管涵波峰沿圆周切向应力随荷载位置变化图如图4-28给出了管涵波峰沿圆周切向应力随角度变化图1005459001350123456789180-5225应力值（Mpa）-10270315-15荷载位置（m）图4-27管周波峰切应力随荷载位置变化图10050.751.502.5050100150200250300350-53.54.5应力值（Mpa）-105.56.5-158.5测点位置图4-28管周波峰切应力随角度变化图从图4-27和图4-28可以看出：在一定的工况荷载条件下，管涵波峰在90°和270°的测点受到压应力最大，管顶0°和管底180°在荷载位于管顶上方时分别产生拉应力和压应力，随着荷载作用位置从管顶上方向一侧路基移动，两种应力值均51 重庆交通大学硕士毕业论文减小，逐渐靠拢、稳定。其余点位应力均是当荷载由工况I-9~I-1移动时应力逐渐减小。4.4钢波纹管竖向位移及挠度分析本次有限元模拟给出钢波纹管涵洞在不同工况条件下的竖向位移及挠度分析，其中竖向位移分析包括管顶竖向位移分析和管底竖向位移分析。如图4-29给出了钢波纹管涵洞有限元模拟条件下的竖向位移图（以荷载作用在管涵正上方，即工况工况I-9为例）。图4-29工况I-9下管涵竖向位移云图4.4.1管顶竖向位移分析图4-30给出管顶竖向位移随荷载作用位置变化图。图4-31给出管顶竖向位移随测点位置变化图。测点位置分布见图4-8，即测点分别为距管端0.075、0.375、0.675、0.975、1.275、1.575、1.875、2.175、2.325米处。图4-30管顶竖向位移随荷载位置变化图52 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟图4-31管顶竖向位移随测点位置变化图从图4-30和图4-31可以看出：同一工况条件下，荷载位置相同时，距离路中线不同距离的管顶各点的竖向位移基本一致。其中车辆荷载作用在管顶上方时，管顶竖向位移最大；当工况荷载作用在管涵以外的路基上时，管顶位移最小，当荷载作用位置从管顶中心向管涵一侧路基移动时，管顶产生的竖向位移也随之减小，力的作用位置越远，对管顶产生的作用越小。4.4.2管底竖向位移分析图4-32给出管底竖向位移随荷载作用位置变化图。图4-33给出管底竖向位移随测点位置变化图。-0.101234567890.075-0.150.375-0.20.6750.975-0.251.275-0.31.575竖向位移（mm）1.875-0.352.175-0.42.325荷载位置（m）图4-32管底竖向随荷载作用位置变化图-0.100.511.522.50-0.150.751.5-0.22.5-0.253.54.5竖向位移（mm）-0.35.56.5-0.358.5距路中线的距离（m）图4-33管底竖向位移随测点位置变化图53 重庆交通大学硕士毕业论文从图4-32和图4-33可以看出：管底竖向位移变化规律与管顶竖向位移相似，均为随着荷载作用位置逐渐远离管涵中心而递减，对比可看出不同之处为，当荷载位于管中心正上方时，管顶沿管涵轴向靠近路中心位置各点的位移要大于管端位置，而管底则与此相反，管端位置的位移大于中心位置。4.4.3钢波纹管涵洞挠度分析我们把钢波纹管涵洞在一定工况条件下管顶竖向位移与管底竖向位移的差值称为钢波纹管涵洞在这种工况下的挠度。图4-34给出钢波纹管波峰挠度随荷载位置变化图。0.50001234567890.0750.0000.3750.675-0.5000.975-1.0001.2751.575竖向位移（mm）-1.5001.8752.175-2.0002.325荷载位置（m）图4-34管顶波峰挠度随荷载位置变化图从图4-34可以看出：荷载位置相同时，距离路中线不同距离的管顶各点的挠度基本相同。其中荷载作用于管涵正上方时，所产生的挠度最大。挠度值随着荷载作用位置从I-9～I-1变化时逐渐减小。钢波纹管涵洞挠度变化规律也可以由上述管顶竖向位移和管底竖向位移求得。4.5刚波纹管涵洞与路基协同变形研究涵洞与路基的协同变形性决定了涵洞存在的情况下路基的变形特性，从而影响到路基和路面的使用性能及涵洞的受力特性和使用寿命。本文给出钢波纹管涵洞在车辆荷载作用下与路基协同变形的有限元模拟情况。通过有限元分析得出钢波纹管涵洞与路基协同变形的基本规律。为全面准确的研究钢波纹管涵洞与路基协同变形的情况，分别研究两者在不同工况荷载作用下竖向位移分析及同一高度水平路径的竖向位移分析。其中竖向位移分析包括管涵中心线处竖向位移分析、管涵中心线左侧三米处竖向位移分析及管涵中心线右侧三米处竖向位移分析；同一高度水平路径竖向位移分析包括管顶平面竖向位移分析和管底平面竖向位移分析。图4-35为竖向路径位移分析示意图，图4-36为同一高度水平路径竖向位移分析示意图。54 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟图4-35竖向路径位移分析示意图图4-36水平路径竖向位移分析示意图位移由以上分析方法，对钢波纹管涵洞及路基进行有限元模拟，如图4-37为荷载作用在管顶中心（I-9）和荷载作用在2.5米（I-6）时的竖向位移云图。图4-37荷载作用在管顶中心及2.5米处时的竖向位移云图4.5.1竖直方向竖向位移分析对于本研究来说，整个有限元模型主要由波纹管涵和路基土体共同组成组成，55 重庆交通大学硕士毕业论文我们需要研究的是钢波纹管涵洞和路基土体在荷载作用下，两者呈现变形的关系。为使效果更明显，我们选取管涵中心线和距管涵中心左右横向3m位置的共计三个断面内的竖向测点为研究对象，对自路基顶部至模型底部的竖向位移进行对比分析。①管涵中心处竖向位移图4-38给出管涵中心线处竖向位移随荷载位置变化图。图4-39给出不同工况下各点竖向位移随距管涵中心垂直距离变化图。其中0、0.75、1.5、2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、8.5分别表示荷载位置距离管顶中心的距离，表示距离的4.1、3.9、3、2.5、1.55、-1.55、-2.5分别表示路基自上向下竖向路径各节点距管涵中心的距离。0.501234567894.1-0.53.9-1.532.5-2.51.55-1.55竖向位移（mm）-3.5-2.5-4.5荷载位置（m）图4-38管涵中心线处竖向位移随荷载位置变化图0.500-0.50.75-11.5-1.52.5-2-2.53.5-34.5竖向位移（mm）-3.55.5-46.5-3-2-10123458.5距涵心的垂直距离（m）图4-39不同工况下管涵中心各点竖向位移随距涵心垂直距离变化图由图4-38和图4-39可以看出：管涵下方两点即﹣2.5、﹣1.55两点处竖向位移随荷载位置的不同，变化不明显，而管涵上方各点处竖向位移随荷载位置的变化较为明显，并且距离管涵中心越远（距路基表面越近）变化越明显；荷载作用在管涵正上方时，各点竖向位移最大。这很好的表明钢波纹管涵洞对地基的要求较低，柔性结构管涵在荷载作用下下方位移较小。56 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟②管涵中心左侧3m路基处的竖向位移图4-40给出管涵中心左侧3米路基处竖向位移随荷载位置变化图。图4-41给出不同工况下管涵中心左侧3米路基处各点竖向位移随距管涵中心垂直距离变化图。0.5000.0004.102468103.9-0.5003-1.0002.51.55-1.500竖向位移（mm）-1.55-2.000-2.5-2.500荷载位置（m）图4-40管涵中心左侧3米处路基各点竖向位移随荷载位置变化图0.50000.0000.75-3-2-1012345-0.5001.52.5-1.0003.5-1.5004.5竖向位移/(mm)5.5-2.0006.5-2.5008.5距涵心的垂直距离（m）图4-41不同工况下管涵中心左侧3米路基各点竖向位移随距涵心垂直距离变化图由以上两图可以得到管涵中心左侧3米处路基各点竖向位移变化规律和管涵中心处各点竖向位移的变化规律基本相同，区别主要在于两者的竖向位移量不同，对比看出管涵中心处各点的竖向位移量明显比管涵中心左侧3米路基处的竖向位移量大。③管涵中心右侧3m路基处的竖向位移图4-42给出管涵中心右侧3米路基处竖向位移随荷载位置变化图。图4-43给出不同工况下管涵中心右侧3米路基处各点竖向位移随距管涵中心垂直距离变化图。57 重庆交通大学硕士毕业论文0-0.501234567894.1-13.93-1.52.5-21.55-2.5-1.55竖向位移（mm）-3-2.5-3.5荷载位置（m）图4-42管涵中心右侧3米处路基各点竖向位移随荷载位置变化图0-0.5-3-2-101234500.75-11.5-1.52.5-23.5竖向位移(mm)-2.54.55.5-36.5-3.58.5距涵心的垂直距离（m）图4-43不同工况下管涵中心右侧3米路基各点竖向位移随距涵心垂直距离变化图由以上两图可以看出管涵中心右侧3米处路基各点竖向位移的变化规律基本上和左侧3米基本相同，管涵下方各点竖向位移变化没有管涵上方各点竖向位移的变化明显，且越接近路基表面变化越明显。综合以上三种情况，由图4-38、图4-40、图4-42可以看出，在荷载作用位置由管中心处向管涵右侧路基移动时，管涵中心及管涵两侧各点竖向位移总体基本上呈逐渐减小趋势，其中图4-38中的荷载位置在0.75米及3米处、图4-40中的荷载位置1.5米处、图4-42中的荷载位置1.5米处及6.5米处出现竖向位移的突变现象，这主要是由于荷载的加载方式及所取测点位置决定的（本模拟为更符合实际采用与现场试验相同的工况荷载加载方式，见图4-7）；由图4-39、图4-41、图4-43可以看出，当荷载作用位置不变时，同一断面内自上而下各点竖向位移逐渐减小。对比图中看出，对管中心断面竖向路径各点，当荷载作用于管侧（管涵右侧0.75m）上方时路基顶面竖向位移最大，当荷载位于管中正上方时管涵竖向位移最大（见图4-30）；对距管中心3m位置的右侧路基断面，其路基最大位移和管顶最大位移分别为3.299mm和1.627mm；对比两断面（管中心断面和管外右侧3m断面）内的位移量，由于荷载位置移动，管涵上方路基部分和管涵外侧路基部分的最大位移差为0.637mm，并且两种条件下管顶与路基的竖向位移最大差分别为1.764mm和1.672mm。管涵底部下方的路基各层产生的竖向位移很小，且随着荷载位置的变58 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟化基本保持不变，可知荷载对管涵下方的路基竖向位移的影响很小。4.5.2同一高度平面内的竖向位移分析对于同一高度平面内竖向位移的分析，为更清楚的研究管涵和土体的共同变形特性，我们分管顶平面竖向位移分析和管底平面竖向位移分析两种情况进行。为了更清楚的研究同一平面各点竖向位移随荷载位置的变化规律，我们把同一平面（管顶平面及管底平面）的不同点分两部分即管涵中心左侧各点包括管涵中心（﹣4.5米、﹣3.0米、﹣1.5米、0米）以及管涵中心右侧各点（1.5米、3.0米、4.5米、6.0米、7.5米、9.0米）两种情况。①管顶平面各点竖向位移分析图4-44和图4-45给出管顶平面各点竖向位移随荷载位置变化图。图4-46和图4-47给出不同工况下管顶平面各点竖向位移随距管涵中心距离变化图。图4-44管顶平面各点竖向位移随荷载位置变化图（管涵中心左侧）图4-45管顶平面各点竖向位移随荷载位置变化图（管涵中心右侧）59 重庆交通大学硕士毕业论文图4-46不同工况下管顶平面各点竖向位移随距管涵中心距离变化图（1）图4-47不同工况下管顶平面各点竖向位移随距管涵中心距离变化图（2）②管底平面各点竖向位移分析图4-48和图4-49给出管底平面各点竖向位移随荷载位置变化图。图4-50和图4-51给出不同工况下管底平面各点竖向位移随距管涵中心距离变化图。图4-48管底平面各点竖向位移随荷载位置变化图（管涵中心左侧）60 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟图4-49管底平面各点竖向位移随荷载位置变化图（管涵中心右侧）图4-50不同工况下管底平面各点竖向位移随距管涵中心距离变化图（1）图4-51不同工况下管底平面各点竖向位移随距管涵中心距离变化图（2）综合同一水平面竖向位移分析图可以看出：管顶和管底平面的竖向位移随荷载移动的变化规律基本一致，说明管顶和管底平面的变形协调性较好，只是管顶水平面内各测点的竖向位移比管底平面各测点竖向位移大，管顶平面的竖向位移最大值为2.172mm，管底平面的竖向位移最大值为0.640mm。另从图4-44、图4-45、图4-48、图4-49可看出，距离车辆荷载作用位置越近的测点竖向位移越大，并且管顶平面的竖向位比较分散，管底较为集中；由图4-46、图4-47、图4-50、图4-51可看出，当荷载作用于管涵上方（0~1.5m）时，管顶（底）与临近等高水平面土体的竖向位移有差异，存在突变，当荷载离开波纹管时，管涵及管外路基的竖向61 重庆交通大学硕士毕业论文位移基本为线性变化。4.6不同涵洞结构变形性能比较目前公路工程范围内涵洞结构的应用范围越来越广，随着材料及施工技术的多样化，其结构形式也越来越多。根据涵洞受力与变形特性的不同，可将涵洞分为柔性管涵和刚性管涵。其中柔性管涵以钢波纹管涵、钢圆管涵为代表，它们适应地基变形的能力较强；刚性管涵以钢筋混凝土结构为代表，此类管涵具有变形小，承载能力高等特点。4.6.1管涵竖向变形（挠度）对比分析根据已有研究资料并结合本文相应的研究内容，可以得到，当填土高度及荷载作用相同的情况下，钢波纹管涵的变形量最大，钢圆管涵次之，钢筋混凝土管涵的变形量最小，柔性管的适应变形能力明显强于刚性管，就三者之间的对比分析来说，波纹特性得到充分体现。4.6.2管顶竖向位移对比分析根据已有研究资料并结合本文相应的研究内容，可以得到，当填土高度及荷载作用相同的情况下，钢波纹管涵的涵顶竖向位移最大，钢圆管涵次之，钢筋混凝土管涵最小；各类管涵涵顶的竖向位移分为两部分，第一是支撑管涵的地基土发生变形沉降，第二是涵管结构在土体及车辆荷载作用下发生的竖直向变形。对管涵自身变形能力来说，柔性管涵远强于刚性管涵，那么在地基土变形相同的情况下，柔性管涵比刚性管涵产生的管顶竖向位移大；当涵洞填土完工以后，管周土体在自重及外力作用下将会产生沉降，这部分沉降变形将会作用在涵洞结构上，此时如果涵洞自身由于土体沉降能产生一定的变形，则可以有效减小由于土体沉降而对管涵产生的应力，这也是钢波纹管涵洞发挥自身力学结构特性及变形特性的重要意义所在。综合三种涵洞竖向变形（挠度）及管顶竖向位移（管顶沉降）可知：钢波纹管涵洞变形性能较好，能很好的适应地基土的变形，并能减小一部分因土基沉降产生的应力，更有利于管涵的受力，并使管涵与路基的协调性更好。由于钢波纹管适应变形的特性，使得其应用范围越来越广。通过以上钢波纹管涵洞在车辆荷载作用下力学性能及其与路基协调性的分析研究，给出钢波纹管涵洞施工中的几点建议：由于钢波纹管涵洞自身的一定适应变形及对钢材的优良利用率等特点决定了其应用范围较广；为了尽量减小荷载对钢波纹管涵洞作用产生的应力，管周土体尽量选用模量较大的土体类型；管涵回62 第四章钢波纹管涵洞受力性能及其与路基变形协同性数值模拟填时尽量采用分层回填，并保证密实度满足要求。4.7本章小结①荷载作用下，涵顶波峰切向受拉、轴向受压，波谷切向受压、轴向受拉，均随着荷载位置远离管涵中心而减小，且当荷载作用在管涵上方时应力值最大；而管顶切向应力曲线呈现阶梯式变化，涵底的应力变化近似于线性的。②沿管涵圆周环向应力最大值均当荷载位于管顶正上方时取得，波谷管顶0°位置最大，波侧和波峰分别在管侧90°和270°产生应力峰值，而在0°和180°存在应力集中现象。③当荷载位于管中心正上方时，管顶沿管涵轴向靠近路中心位置各点的位移要大于管端位置，而管底则与此相反，管端位置的位移大于中心位置；钢波纹管管顶竖向位移大于管底竖向位移。④对于整个有限元模型：在荷载作用位置由管顶上方向管涵右侧路基移动时，路基及管涵的竖向位移、挠度均逐渐减小；当荷载作用位置不变时，不同路基各层点位的竖向位移由路基顶面向涵底逐渐减小；管涵底部下方的路基各层产生的竖向位移最小，且随着荷载位置的变化基本保持不变。⑤管顶和管底平面的竖向位移变化规律基本一致，当荷载作用于管涵上方（0~1.5m）区域时，管涵中心与附近位置的位移存在微小差异，当荷载离开波纹管时，管涵中心及管外各点的竖向位移基本为线性变化，处于同一高度水平面的管涵及路基部分的最大位移差为0.545mm，管涵与路基整体变形协调性较好。⑥对比钢波纹管涵、钢圆管涵和钢筋混凝土涵三种不同涵洞类型在相同填土高度、相同车辆荷载作用下涵洞竖向变形（挠度）及管顶竖向位移（管顶沉降）可知：钢波纹管涵洞变形性能较好，能很好的适应地基土的变形，并能减小一部分因土基沉降产生的应力，更有利于管涵的受力，并使管涵与路基的协调性更好。由于钢波纹管适应变形的特性，使得其应用范围越来越广。63 重庆交通大学硕士毕业论文第五章结论与展望5.1主要结论5.1.1钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验研究结论①钢波纹管管顶切向应变现场试验1）车辆沿不同的车道行驶时，波纹管同一位置产生的应变不同。当车辆沿超车道和行车道行驶时，波纹管管顶应变有突兀的剧烈变化产生，而当车辆沿应急车道行驶时，波纹管整体应变较为稳定。2）当车辆沿超车道行驶，同一个波形内相邻的波谷、波峰应变值不同，而当车辆沿行车道和应急车道行驶时，同一个波形内相邻的波谷、波峰应变值基本相同。3）车辆沿同一条车道行驶时，波纹管同一个波形内相邻波谷、波峰位置的应变随荷载移动时的变化趋势是相同的。②钢波纹管管周切向应变现场试验1）当荷载加载位置从超车道到行车道，再到应急车道改变时，处在超车道路面下的涵洞波谷、波侧和波峰三断面的切向应变的规律为：首先表现为压应变为主的状态，然后变为拉应变为主的状态，最后出现拉应变集中现象。2）对管涵轴线由波谷→波侧→波峰处于角度相同、断面位置不同的测点来说，当加载位置位于超车道时，管涵测点的应变值变化规律表现为由分散到均匀的趋势，当加载位置位于行车道时，距起始点较近的半圆周内（180°到315°）表现出由剧烈的突变状态向稳定的统一应变转换的趋势，当加载位置位于应急车道时，距起始点较远的半圆周（30°到180°）表现出应力集中区域自管侧（90°位置）向上下转移的趋势。3）当加载位置沿不同的车道改变时，随着加载位置的移动，对于角度相同、断面位置不同的各个测点的应变变化规律是相似的，这表明尽管不同断面（波侧、波谷和波峰）相同角度测点处的切向应变值存在差异，但三种断面测点处的变化趋势是一致的。③钢波纹管挠度现场试验1）随着车辆的远离波纹管，其挠度值也随之减小，并且变化较平滑，在一定情况下相对比的两条车道的挠度数值会趋向一致。2）行车荷载不论作用于行车道、超车道还是紧急停车道，当其正处于钢波纹管上方时所产生的挠度值是相关工况里面最大的。64 第五章结论与展望5.1.2钢波纹管涵洞受力性能及其与路基协同变形数值模拟结论①荷载作用下，涵顶波峰切向受拉、轴向受压，波谷切向受压、轴向受拉，均随着荷载位置远离管涵中心而减小，且当荷载作用在管涵上方时应力值最大；而管顶切向应力曲线呈现阶梯式变化，涵底的应力变化近似于线性的。②沿管涵圆周环向应力最大值均当荷载位于管顶正上方时取得，波谷管顶0°位置最大，波侧和波峰分别在管侧90°和270°产生应力峰值，而在0°和180°存在应力集中现象。③当荷载位于管中心正上方时，管顶沿管涵轴向靠近路中心位置各点的位移要大于管端位置，而管底则与此相反，管端位置的位移大于中心位置；钢波纹管管顶竖向位移大于管底竖向位移。④对于整个有限元模型：在荷载作用位置由管顶上方向管涵右侧路基移动时，路基及管涵的竖向位移、挠度均逐渐减小；当荷载作用位置不变时，不同路基各层点位的竖向位移由路基顶面向涵底逐渐减小；管涵底部下方的路基各层产生的竖向位移最小，且随着荷载位置的变化基本保持不变。⑤管顶和管底平面的竖向位移变化规律基本一致，当荷载作用于管涵上方（0~1.5m）区域时，管涵中心与附近位置的位移存在微小差异，当荷载离开波纹管时，管涵中心及管外各点的竖向位移基本为线性变化，处于同一高度水平面的管涵及路基部分的最大位移差为0.545mm，管涵与路基整体变形协调性较好。⑥对比钢波纹管涵、钢圆管涵和钢筋混凝土涵三种不同涵洞类型在相同填土高度、相同车辆荷载作用下涵洞竖向变形（挠度）及管顶竖向位移（管顶沉降）可知：钢波纹管涵洞变形性能较好，能很好的适应地基土的变形，并能减小一部分因土基沉降产生的应力，更有利于管涵的受力，并使管涵与路基的协调性更好。由于钢波纹管适应变形的特性，使得其应用范围越来越广。通过钢波纹管涵洞应变和挠度现场试验和钢波纹管涵洞受力性能及其与路基协同变形数值模拟的研究，总结得出钢波纹管涵洞在低路堤重载交通下变形及受力特点以及其与路基变形协调性规律。通过对以上内容进行分析得出钢波纹管涵洞相比于其他涵洞形式的力学性能优势。5.2进一步研究的建议①现场试验时需要考虑的因素很多，有些因素如荷载加载形式、应变片敷设位置等对试验结果影响较大，如何准确的加载荷载、准确敷设应变片及读数对于本现场试验有进一步研究的意义。②由于钢波纹管涵洞结构为易腐蚀性材料，如何解决钢波纹管涵洞在长期使65 重庆交通大学硕士毕业论文用中的耐久性以及其防腐问题将会在钢波纹管涵洞使用过程中起到越来越重要的作用。③通过对钢波纹管涵洞和其他涵洞形式的对比，如何合理改进钢波纹管涵洞设计方法，得出更合理的钢波纹管结构形式，使其更广泛的应用于各种类型路基土中成为钢波纹管涵洞应用的研究重点。④对于实际工程应用中如何在保证钢波纹管涵洞结构强度及合理变形的基础上，选择合理的波形参数，使得钢波纹管涵洞结构达到受力性能的最优化，充分发挥波纹管的性能是一个值得深入研究的问题。⑤钢波纹管涵洞结构不同的直径对应于不同的波纹参数，如何在充分发挥钢波纹管涵洞与路基变形协调性的基础上合理设计钢波纹管涵洞结构形式将会使钢波纹管涵洞研究的一种方向。66 致谢致谢时光荏苒，岁月如梭，三年的研究生生活马上就要结束了，在我的研究生生活接近尾声的时候，在我的硕士学位论文即将完成的时候，我要向许多关心我、帮助我和支持过我的人表示最诚挚的感谢！本论文是在尊敬的导师李志勇副教授及李祝龙教授级高工的悉心指导下完成的。论文从选题、论文方案制定、理论及模拟分析到论文的撰写和最终定稿无不渗透着两位老师大量的辛劳和心血。他们对待学术的认真严谨的态度、对待学生和蔼可亲的心态都是我从中学到了很多书本上没有的东西，他们不仅教会了我更多专业方面的知识，也是我对自己的人生态度有了很大的改观。在三年的研究生生活里，李老师给了我很多学习和生活上的帮助，他的为人处事等方面有很多值得我学习的地方。在这里我衷心的感谢我的硕士研究生导师李志勇老师和李祝龙老师！感谢师兄郭力源，感谢他在我西安实习时给予的莫大帮助，感谢他在生活及实习期间对我的照顾。感谢同门师兄尹峰及李磊在学习上给予的帮助，两位师兄总能在最需要的时候给予师弟们帮助；感谢同门汪胜、师弟高宇等在论文写作期间帮忙收集相关专业文献。在这里，我真诚的向你们说声谢谢！感谢我的女朋友在论文写作期间以及平时的生活学习中给予我的帮助！在这里特别感谢父母，感谢他们这二十多年的教育及养育之恩，感谢他们为了自己的孩子默默奉献自己的辛劳，感谢他们二十多年对自己学业的支持，对于父母的恩情我应该牢记在心，不敢或忘。最后，在这里谨向在研究生学习期间及论文写作期间给我提供过帮助的老师、同门、朋友们表示最衷心的感谢！同时还要特别感谢能在百忙之中对论文进行评审以及参加论文答辩的各位老师、专家和教授！67 重庆交通大学硕士毕业论文参考文献[1]李祝龙．公路钢波纹管涵洞设计与施工技术研究[D]：[博士学位论文]．西安：长安大学，2006[2]折学森，顾安全．沟谷地形中埋设管道的土压力研究[J]．西安公路学院学报，1989，7(4)：33-39[3]折学森．填埋式管道土压力的电算模拟[J]．重庆交通学院学报1992，11(2)：108-114[4]WatkinsR.K,MoserA.P.ResponseofCorrugatedSteelPipetoExternalSoilPressures[J].HighwayResearchRecord,1971,(37):86-96[5]柏春红．大管径钢质波纹管力学性能研究[D]：[硕士学位论文]．西安：西安工业大学，2009[6]王永岗，戴诗亮，吕英民．波纹管在任意载荷作用下的几何非线性分析[J]．清华大学学报：自然科学版，2002，42(2)：220-223[7]KellsJ.A.HydraulicPerformanceofDamaged-EndCSPCulverts[A].AnnualConferenceoftheCanadianSocietyforCivilEngineering[C],Canada,2002:483-491[8]蒋雪梅，雷俊卿．波纹钢管涵洞的力学机理分析与试验研究[J]．北京交通大学学报，2006，30(增刊)：289-293[9]徐群丽，季文玉．青藏线波纹管涵洞现场试验及理论分析[J]．中国铁道科学，2006，27(6)：55-59[10]赵卫国，李祝龙，李创军．公路钢波纹管涵洞的研究与应用展望[J]．公路交通科技(应用技术版)，2007，(8)：167-170[11]王艳丽，李祝龙．钢波纹管涵洞的薄壳效应[J]．公路交通科技，2008，25(5)：86-90[12]ShadSargand,TeruhisaMasada,AndrewMoreland.MeasuredFieldPerformanceandComputerAnalysisofLarge-DiameterMultiplateSteelPipeCulvertInstalledinOhio[J].JournalofPerformanceofConstructedFacilities©ASCE,2008,22(6):391-397[13]赵磊．钢波纹管涵洞施工技术要点控制[J]．黑龙江交通科技，2009，(9)：105-106[14]KyongY.Yeau,HalilSezen,PatrickJ.Fox.LoadPerformanceofInSituCorrugatedSteelHighwayCulverts[J].JournalofPerformanceofConstructedFacilities©ASCE.2009,23(1):32-39[15]乌延玲．公路钢波纹管涵洞受力与变形特性及应用研究[D]：[博士学位论文]．西安：长安大学，2012，668 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重庆交通大学硕士毕业论文攻读学位期间取得的研究成果一、发表论文[1]王金辉.纵断面设计对行车安全影响的研究.建筑工程技术与设计，2014,33（7）：160-161.二、科研情况[1]参与安徽省交通投资集团课题、中交第一公路勘察设计研究院有限公司的科研项目—多孔钢波纹板公路桥涵结构技术研究70