【導讀】本學位論文作者完全了解北京交通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特授權北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，提供閱覽服務,并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤。本論文的工作是在我的導師王元豐教授的悉心指導下完成的，王元豐教授嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和科學的工作方法給了我極大的幫助和影響。在此衷心感謝多年來王元豐老師對我的關心和指導。因此，研究覆土波紋鋼板拱橋的受力特點和土結相互作用規(guī)律，具有重要的理論研究意義和實際應用價值。本文在參閱大量國內外相關文獻的基礎上，選擇覆土波紋鋼板拱形小橋為研究對象，采用理論推導、數(shù)值模擬與實橋試驗相結合的研究方法，對該類型橋涵土結相互作用機理以及施工、成橋階段的受力特點進行了深入分析與探討。

　　

【正文】 幾種豎向土壓力的主要計算方法及幾種典型土質條件的堆填土體下結構物的土壓力現(xiàn)場測試結果，進行了分析比較，提出了高填土下結構物的設計計算方法和對結構物進行全斷面縱向強度驗算的方法；折學森、張發(fā)祥[100~102]等學者也均為路基填埋式管道垂直土壓力的計算做出了分析與建議。隨著計算機的不斷發(fā)展，學者又開始采用新的分析計算手段——有限元法，來對涵洞的受力以及填土的變形進行計算與分析。1981年，黃清猷工程師應用有限元法，對地下結構物垂直土壓力進行了分析，并于1987年出版了《地下管計算》一書。其后，李小山[103]基于彈性理論和有限元原理與方法，分析了上埋式地下管道橫向力學計算方法，并探討了上埋式地下管道垂直土壓力的減荷措施等。李永剛、孫建生[104]采用逐級新增單元的有限元法，模擬軟基涵洞周圍土體分層填筑的施工過程，得到回填土體的應力場，繼而分析出涵洞周邊土壓力分布。其計算結果比傳統(tǒng)計算方法中的平均土壓力小 10%~15%，還得出涵洞頂、涵洞側的平均土壓力與涵洞形式有關。劉靜[105]運用有限元商業(yè)軟件MARC和PATRAN，分析計算高填土路堤下涵洞洞頂所受垂直土壓力，尋找其隨填土高度(H)、地形條件等影響因素的變化規(guī)律。蒯行成、任畢喬、官邑等[106]學者對圓管涵結構進行了有限元分析，并提出了適當?shù)募庸檀胧８餐敛y鋼板橋涵的研究狀況1998年中交第一公路勘察設計研究院初步研究了波紋管涵洞的受力特征。研究表明：相同圍壓時，波紋管與普通圓管的徑向最大位移相當，但波紋管的軸向位移明顯大于普通圓管，表現(xiàn)出波紋管具有軸向補償位移的功能；波紋管的內部應力拉、壓相間，充分發(fā)揮了金屬材料各向同性的優(yōu)良特性，而普通圓管內部拉應力較小，壓應力較大。金屬波紋管涵施工過程對地基的擾動相對較小，且不滲水，有利于保持多年凍土地區(qū)的水熱平衡，達到了保護凍土、整治青藏公路涵洞工程病害的目的[85]。1998～1999年上海市在上海四號線、浦東國際機場中采用了鋼質波紋板通道,之后在市政等工程中推廣應用。上海市政工程設計研究院和上海公路處在上海新開河對4m 直徑的鋼波紋管(板)涵洞進行了荷載試驗，結合試驗采用有限元對波紋管結構進行了初步力學分析。其研究表明：最大拉應力和壓應力均出現(xiàn)在上半圓兩個45176。方向上，最大拉應力在波峰，最大壓應力在波谷[85]。為推廣公路工程鋼波紋管涵洞技術，2000年中交第一公路勘察設計研究院開展了“公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術研究”。通過試驗研究分析，揭示了與反開槽施工相對應的鋼波紋管涵洞系列特征規(guī)律，得到了不同荷載作用下不同參數(shù)鋼波紋管涵洞的應力、撓度規(guī)律，總結出反開槽法施工對應的涵管結構設計方法， 以指導不同階段的設計[16]。2001年，北京交通大學季文玉教授承擔了鐵道部科研開發(fā)項目，進行了金屬波紋管涵洞受力行為理論分析與試驗研究，對波紋管的力學性能進行研究，測試了回填土壓力和波紋管應力、變形的變化。研究表明：在長期荷載作用下，波紋管涵洞實測土壓力發(fā)生重新分布，逐漸趨于規(guī)范值，小于施工階段土壓力值。因此，施工階段的土壓力對波紋管涵的設計起控制作用；提出對波紋管的設計可以采用彈性設計理論[107]。2003年，武漢理工大學彭述權在其碩士論文中按照耶梅里揚諾夫模型建立了波紋鋼板橋涵與土共同作用的模型，將波紋鋼板的幾何正交異性轉化為材料正交異性，波紋鋼板橋涵簡化為固支拱結構和平面應變問題。通過現(xiàn)場靜載試驗，測試了結構的靜態(tài)應變、相對變形和基礎沉降等，對波紋鋼板橋涵的力學性能進行了分析。文章用Matlab程序推導了波紋鋼板橋涵的內力和位移公式，同時選取一個波紋長度的波紋鋼板橋涵和土作為分析對象，用ANSYS有限元程序對湖北洪沙線豐收渠橋涵工程的靜載試驗進行了數(shù)值模擬計算[108]。2003年內蒙古交通設計研究院針對工程需要展開了鋼波紋管(板)涵洞的荷載試驗、施工工藝等研究。2006年，內蒙交通設計研究院與北京交通大學共同承擔了西部交通建設科技項目《波紋鋼結構在小橋與涵洞上的應用技術研究》，該項目通過理論、模型試驗、實體工程相結合的研究方法，取得的成果之一是：基于對國際最新波紋鋼板橋涵設計規(guī)范的分析，提出了適用于我國材料、荷載標準與可靠度統(tǒng)一標準的公路波紋鋼板橋涵設計方法，并編制了《波紋鋼板小橋涵設計與施工指南》。該指南填補了國內該領域的空白，為修編相關標準規(guī)范提供了重要的基礎技術資料[109]。2005年彭述權分析了波紋板厚、波峰高度、波長、結構半徑、土體自重、側壓力系數(shù)以及彈性模量對結構位移、應力的影響，計算結果表明波紋鋼板橋涵結構的應力峰值對波紋鋼板厚度和半徑很敏感，位移峰值對土體彈性模量很敏感，對波紋波峰高度也很敏感，為該類結構優(yōu)化設計和施工提供了理論依據(jù)[110]。2005年李祝龍對波紋鋼板涵洞力學性能進行了現(xiàn)場試驗研究，得到以下結論：剛波紋管涵洞的管底徑向土壓力最大，管下1/4處的土壓力最小，鋼波紋管涵洞的管頂附近在施工活載的作用下，存在較大的應力集中現(xiàn)象。鋼波紋管涵的管頂、管側沿著波形方向呈現(xiàn)出不同的應力變化趨勢，波峰和波谷處以及內外側，切向和軸向應力應變呈現(xiàn)出管頂與管側相反的情況[111]。2006年李祝龍出版了國內第一本專著《公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術》，該書是在7年研究的基礎上，進行進一步總結，并對公路鋼波紋管涵洞的設計內容和方法進行充分分析之后，同時參照了國內外該領域研究與應用情況，形成系統(tǒng)的目前可指導工程設計和施工的技術著作[112]。2007年內蒙交通設計研究院與北京交通大學在河北省衡水市進行了波紋鋼板小橋模型試驗，對比分析了不同開截面形式小橋的結構應力、位移及填土壓力，并進行了成橋加載檢測試驗。研究表明：低弧拱橋和高弧拱橋的內力和變形規(guī)律基本相同，而半圓拱和它們有明顯的區(qū)別；高弧拱橋的軸力、位移和應力的最大值都比低弧拱橋要大，半圓拱主要以受壓為主，壓力沿拱圈分布比較均勻；應力最大值出現(xiàn)在施工過程中回填土高度接近拱頂時，同時位移最大值出現(xiàn)在拱頂，并且整個施工過程中拱頂?shù)奈灰埔恢碧幵谏瞎暗臓顟B(tài)；最不利活載的作用位置在結構的跨中，此時拱圈的變形和應力都為最大[7]。2007年廣東省公路勘察設計院針對廣梧高速公路河口至雙鳳段K66+，并將波形鋼板通道橋與空心板小橋進行了比選，得出如下結論：對山區(qū)高速公路高填土路段，波形鋼板結構物比常規(guī)橋梁涵洞優(yōu)越，造價更經濟[113]。2007年方亞非和溫學鈞對埋置式波紋鋼板管結構的計算方法進行比較，將有限元模型和環(huán)形壓力理論計算的內力進行了對比分析，認為環(huán)形壓力理論與有限元的計算結果基本一致；拼接形式波紋管結構的接縫強度可以按承壓形螺栓考慮，但鋼結構規(guī)范計算的連接強度明顯低于外國規(guī)范的強度，按目前的國家標準計算螺栓強度將成為設計的控制因素[114]。2008年王艷麗對鋼波紋管涵洞進行了薄殼效應的研究，從旋轉對稱殼基本理論著手，針對工程現(xiàn)場采用過的反開槽回填法施工，建立了有限元力學模型，結果表明模型得到的計算結果和現(xiàn)場實測值擬合良好，說明鋼波紋結構是一種典型的旋轉殼，可以用薄殼中旋轉對稱殼理論分析，該方法是可行的[115]。2009年劉保東等對覆土波紋鋼板拱橋施工過程進行了詳細分析，得出了施工過程中波紋鋼板拱隨著覆土高度的增加出現(xiàn)先上拱后下?lián)系默F(xiàn)象，指出當覆土填埋到結構頂部附近時是施工過程中受力的最不利位置，應加強該階段的施工監(jiān)測與控制[116~117]。2011年山東萊蕪市水利與漁業(yè)局通過有限元軟件從排水砂土層、混凝土基礎及回填地基土的彈性常數(shù)對波紋鋼板開截面橋涵的力學性能影響進行了分析，得到了一些結論，為工程的分析提供一定的參考：(1)回填地基土對結構的剛度和強度控制效果比較明顯；(2)排水砂土彈性模量的增加對豎向位移的影響比較突出；(3) 混凝土的彈性模量增大時，應力增加較多，但對變形的影響很??；(4)材料的泊松比對管涵結構的影響不大[118]。 綜上所述，國內對波紋鋼板橋涵結構的設計和施工已有較多的應用，但總體而言都是借鑒國外的規(guī)范，還沒有形成適應我國國情的專門規(guī)范；而對于該種結構形式的研究內容主要集中在有限元分析和對閉截面的圓管涵上，對開截面形式的拱橋研究很少。因此，有必要對開截面覆土波紋鋼板橋涵進行深入的研究，明確其土－結構相互作用的受力機理，掌握其施工過程及成橋階段的受力性能特點，這對波紋鋼板橋涵在我國的進一步推廣和應用具有重要的指導意義。 本文研究問題的提出根據(jù)以上對國內外研究現(xiàn)狀的分析可以看出，覆土波紋鋼板結構具有施工速度快、適應范圍廣、受力性能好、綜合造價低、節(jié)能環(huán)保的特點，在國外，已經成功應用了近一個世紀，對其受力性能進行了詳細、深入的研究，掌握了該結構形式的受力特點，形成了成熟的設計與施工規(guī)范，成為了傳統(tǒng)圬工和混凝土結構小橋涵的合理替代。在我國，該結構形式已經大量應用于公路工程實際，被認為是一種應用前景非常廣闊的結構形式，特別是在我國鋼產量高居世界第一，舉國上下更加重視節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的今天，更受到了公路管理、施工、運營等部門的青睞。但國內對該結構形式受力特點的研究還不夠系統(tǒng)、深入，特別是對開截面拱形結構的研究更為匱乏，工程應用也寥寥無幾。由于該結構難以用精確的數(shù)學模型對其分析，一些工程師覺得該結構可以完全依據(jù)經驗或已建此類結構的尺寸數(shù)據(jù)來施工，不做調查與分析就完成設計。而另一些工程師試著用“萬能”的有限元工具來解決問題，建模時對土的特性參數(shù)選取隨意性很大，數(shù)值模型是否能如實反映結構的真實特性無從得知。忽視對此類結構力學性能的研究往往導致一些似是而非的結論，而正是這些原因導致了一些較大跨度的該類結構在修筑過程中的過大變形與損壞，如圖112所示。圖112 波紋鋼結構的破壞實例Figure 112 The example of the destructive corrugated steel structure因此，進一步研究覆土波紋鋼板橋涵土與結構相互作用，明確其受力力學性能，提出適用于我國可靠度統(tǒng)一標準與荷載規(guī)范的設計理論，使得覆土波紋鋼板橋涵結構能夠在我國廣泛推廣應用，為其設計和施工提供理論指導，仍具有重要的意義。 本文的研究目標、研究內容及技術路線本文在參閱大量國內外相關文獻的基礎上，選擇覆土波紋鋼板拱形小橋為研究對象，采用理論、數(shù)值模擬、實橋試驗相結合的研究方法，對該類型橋涵土結相互作用機理以及施工、成橋階段的受力特點進行了深入分析與探討。全文共分為六章，主要的研究內容為: 第一章，對覆土波紋鋼板結構的特點進行了概述，對國內外研究現(xiàn)狀進行了詳細的總結和分析，明確了本文的研究內容和研究思路；第二章，基于板殼理論，結合波紋鋼板材料和波紋鋼板拱形結構的特點，在適當簡化的基礎上，對波紋鋼板拱形結構的變形和內力計算公式進行了理論推導，并結合試驗結果對推導得到的公式進行了驗證，計算分析了該結構形式橋涵的受力特點。第三章，利用大型通用有限元軟件，根據(jù)該結構的特點進行了有限元建模及模型對比，選擇合理的計算模型對覆土波紋鋼板結構的受力特點進行了分析，并詳細討論了結構參數(shù)對其結構內力、變形及土壓力分布的影響，為選擇合理的結構參數(shù)提供了參考。第四章，結合覆土波紋鋼板結構施工的特點，對施工的影響進行了理論分析，并建立了土結相互作用有限元模型進行了施工過程模擬，總結分析了施工過程中結構受力性能的特點，為該結構形式橋涵的施工控制提供了參考。第五章，結合某實際覆土波紋鋼板拱橋工程，對其施工過程、成橋階段的變形、內力、土壓力分布、動力、沖擊等性能進行了詳細測試，并通過與有限元數(shù)值計算結果的對比，驗證了本文對該結構形式橋涵受力特點的總結，為同類結構的設計與施工提供了有益的參考。第六章，總結歸納了本文的主要研究成果，并對該結構形式的進一步研究和應用提出了展望。研究的主要技術路線為： 圖113 技術路線圖示 Diagram of techical route115基于板殼理論的覆土波紋板拱橋內力和變形計算2 基于板殼理論的覆土波紋板拱橋內力和變形計算 經典板殼理論 概述板殼是平板和殼體的總稱。板殼力學與彈性力學相似，在平板或殼體中任一點取微分板（或殼）單元體加以研究，從靜力學、幾何學和物理學三方面考慮，導出板或殼體對應的平衡微分方程、幾何方程和物理（本構）方程，這些方程分別體現(xiàn)了內力與外力、應變與位移、應變與應力之間的相互關系與制約[119]。在一定的邊界條件下，通過上述相關的基本方程確定未知量。 殼體的一般理論殼體是指有兩個曲面界限的物體，且兩曲面間的距離遠小于該物體的其他尺寸。這兩個曲面就稱之為殼面，兩曲面之間的距離為殼體的厚度，平分厚度的曲面叫做中曲面（簡稱為中面）。按照殼體的厚度與殼體中面最小曲率半徑的比值，可將殼體分為薄殼和厚殼。按外形的不同，可將殼體分為球殼、柱殼、旋轉殼、平移殼等。在殼體的計算中，一般假定殼體材料是連續(xù)、均勻、完全彈性、小變形的。此外，還采用以下計算假定：（1）垂直于中面方向的正應變很小，可以不計。（2）中面的法線保持為直線，且與其垂直的線段間的直夾角保持不變，即切應變?yōu)榱恪＃?）擠壓應力（與中面平行的截面上的正應力）遠小于其垂直面的正應力，故它對變形的影響可忽略不計。（4）體力和面力可化為作用于中面的荷載[120]。為建立較為完整和普遍的殼體理論，必須利用彈性力學中空間問題在正交曲線坐標下的幾何方程。一般殼體的空間正交曲線坐標如圖21所示，彈性體在變形后，任意一點的位移在、三個坐標方向的分量分別用、表示，沿坐標方向的正應變分別用、表示，剪應變分別用、表示[121]。對于一般情形下彈性殼體的變形，在殼體中任一點取微分殼單元體，殼體的內力和內力矩及殼體的表面力分別如圖22，23所示。圖21 殼體結構空間正交曲線坐標示意圖 Orthogonal bases of the shell圖22 殼體內力內力矩示意圖 Internal force and moment of the shell圖23 殼體表面力示意圖 Surface force of the shell將上圖所示各個力沿各坐標軸的分量進行疊加，令其總和為零，可得到相應于、及的平衡方程。另外，將所有內力在三個方向上求矩，可