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管拱形覆土波纹钢板管涵受力性能的多维度试验与解析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着我国交通基础设施建设的持续推进，道路工程中的涵洞作为重要的排水和通道结构，其设计与施工的合理性、可靠性对于道路的整体性能和使用寿命至关重要。管拱形覆土波纹钢板管涵作为一种新型的涵洞结构形式，近年来在道路建设中得到了越来越广泛的应用。它以波纹钢板为主体材料，通过特殊的加工工艺形成管拱形状，并在其外部覆盖一定厚度的土层。这种结构形式融合了波纹钢板的高强度、高柔性以及土-钢共同作用的优势，具有一系列显著特点。在工程实际应用中，管拱形覆土波纹钢板管涵展现出诸多优势。其施工工艺相对简单，施工速度快，能够有效缩短工程工期，降低施工成本。同时，由于其对地基承载力的要求相对较低，在一些地质条件复杂或地基承载力不足的地区，具有更强的适应性，能够减少地基处理的难度和成本。此外，该结构形式还具有良好的耐久性和抗腐蚀性，能够在恶劣的环境条件下长期稳定运行，减少后期维护和修复的工作量和成本。然而，尽管管拱形覆土波纹钢板管涵在工程实践中得到了应用，但其受力性能的研究仍有待深入。在实际工作状态下，管涵受到覆土压力、车辆荷载、地基反力以及周围土体约束等多种复杂因素的共同作用，其力学行为十分复杂。目前，对于该结构在不同工况下的受力性能、土-钢相互作用机理以及结构的破坏模式和承载能力等方面的认识还不够全面和深入，这在一定程度上制约了其设计理论和方法的进一步完善和发展。深入研究管拱形覆土波纹钢板管涵的受力性能具有重要的理论和实际意义。从理论层面来看，通过对其受力性能的研究，可以揭示土-钢相互作用的内在规律，建立更加科学、准确的力学模型和分析方法，丰富和完善地下结构的力学理论体系。从实际工程角度而言，准确掌握管涵的受力性能可以为其设计提供更为可靠的依据，优化结构设计参数，提高结构的安全性和经济性。此外，研究成果还可以为工程施工提供指导，确保施工过程中管涵的结构稳定，预防施工事故的发生；同时，为管涵的后期维护和管理提供技术支持，及时发现和处理结构病害，延长结构的使用寿命。因此，开展管拱形覆土波纹钢板管涵受力性能的试验研究具有迫切的现实需求和重要的科学价值。

1.2国内外研究现状

国外对波纹钢板管涵的研究起步较早，至今已有100多年的历史，在设计规范、理论研究和实验研究等方面都取得了较为丰硕的成果。在设计规范方面，美国、加拿大等国家已制定了相对完善的波纹钢板桥涵设计与施工技术规范。这些规范对波纹钢板管涵的结构设计、材料选用、施工工艺以及质量验收等方面都做出了详细的规定，为工程实践提供了明确的指导。例如，美国的相关规范中明确规定了不同填土高度、管径和荷载条件下波纹钢板的厚度选择标准，以及管涵的连接方式和防腐措施等。在理论研究方面，国外学者针对波纹钢板管涵的受力性能开展了深入的研究，提出了多种理论分析方法。其中，环向压力理论是较为常用的一种，该理论认为在土-结构体系中，随着回填土产生的垂直载荷增加，结构会挤压两侧土体，土体被挤压后产生的弹性抗力会影响结构的受力状态，使得结构周围土压分布发生变化，从而导致结构内力重分布。此外，还有学者考虑了土体的非线性特性和结构与土体之间的接触非线性，采用有限元等数值分析方法对管涵的受力性能进行模拟和分析，取得了一系列有价值的研究成果。在实验研究方面，国外开展了大量的现场试验和室内模型试验。通过现场试验，直接获取管涵在实际工程条件下的受力和变形数据，验证理论分析和数值模拟的结果；室内模型试验则可以更加精确地控制试验条件，研究不同因素对管涵受力性能的影响规律。例如，一些学者通过室内模型试验，研究了填土高度、土壤参数、钢板厚度和几何尺寸等因素对管涵受力性能的影响，得出了相应的结论，为管涵的设计和优化提供了实验依据。国内对波纹钢板管涵的研究起步相对较晚，但近年来随着其在工程中的应用逐渐增多，相关研究也取得了一定的进展。在应用方面，波纹钢板管涵已在我国多个地区的公路、铁路等工程中得到应用，特别是在一些特殊地质条件地区，如多年冻土区、软土地基区等，其优势得到了充分体现。例如，在青藏公路的建设中，波纹钢板管涵成功地解决了寒区因融沉与冻胀导致的结构破坏问题，保障了道路的稳定运行。在理论研究方面，国内学者在借鉴国外研究成果的基础上，结合我国的工程实际情况，对波纹钢板管涵的受力性能进行了研究。部分学者采用有限元软件建立管涵的数值模型，考虑土-钢相互作用，对管涵在不同工况下的受力和变形进行分析，研究了各种因素对管涵力学性能的影响。同时，也有学者对管涵的设计理论和方法进行了探讨，提出了一些改进和完善的建议。在实验研究方面，国内也开展了一些现场试验和室内模型试验。通过现场试验，对管涵在实际施工和运营过程中的受力、变形和土压力分布等进行监测和分析；室内模