MSC.software2007论文集：波纹钢板管涵结构的有限元分析

    1 前言
   
    随着建筑事业的发展，一些新型结构、新工艺、新材料正不断地出现在建筑结构上，装配式波纹钢板管涵作为一种具有环境污染小、施工方便、工期短、能够适应不同的地形条件等优点，在我国已开始应用，主要应用于公路、铁路、涵洞、坑道、横向通道等工程。波纹钢管已有近百年历史，起源于 1896 年美国一家发明专利公司。自十九世纪末起，美国、加拿大、英国、日本等国家就开始研制、开发和应用波纹钢板管涵，并制定了专门的设计、制造、施工安装手册和规范标准。日本在 1980 年的《日本高等级公路设计规范》中对波纹钢板管涵有较为详细的规定，该规范给出了五种类型波纹管涵在不同管径和填土厚条件下的波纹管管壁厚查用表格、管段组合螺栓选用方法、对于半沟型和突出型两种背填材料方式的背景设计方法、基础和管端部的设计方法等等。许多学者专家也对这种新型的结构进行了研究和分析，认为汽车荷载对波纹钢板管涵的影响是一个重要的研究课题。Bakht对一组受汽车荷载的波纹钢管涵进行了测试，预测了管涵的圆周侧压力，并提出了一种计算最大圆周测压力的方法。后来，Moore和Brachman对实际工程进行了二维、三维分析，并考虑了波纹管的各向异性的材料特性，将分析结果与Bakht的试验结果进行了比较，取得了一定的成果。K.M.EL-Sawy在考虑土体与管涵共同作用下的基础下，对两个工程进行从各向同性和异性的方面进行三维有限元分析，并与Bakht的试验结果和Moore、Brachman的计算结果进行比较，得到了很多有意义的建议和结论。
   
    我国对于波纹钢板管涵的研究还处于起步阶段，在工程设计上主要借鉴国外的实际工程经验和资料；我国已建设了几座波纹钢板桥涵，如 1997 年上海浦东张桥镇工业区，跨径 4.46米； 2001 年湖北荆州区里李埠小桥，跨径 5 米；2003 年 5 月的湖北洪湖市丰收渠桥涵工程；1998 年在青藏公路的整治工程中修建过实验工程等。但由于各方面技术的不成熟，阻碍了波纹钢板桥涵结构在我国的推广和应用。本文的目的就是运用有限元分析方法对某一实际工程进行应力、位移分析，为其设计提供一定的理论依据。
   
    2 结构形式与构造
   
    波纹钢板管涵是由波纹钢板卷制成管节修建成的涵洞，横截面一般是由数片拼装组成，用螺栓连接、铆接或套接，其中以螺栓连接型较为普遍，纵断面呈波纹状。一般埋于地面以下用来满足水流或人流的通过要求，常见的波纹钢板管涵分为三类（如图 1 所示），一是横断面为圆形的叫做圆管涵；二是横断面为蛋形的管涵；三是横断面为椭圆形的拱涵。在管涵的周围一般设 0.3m 厚的砂土层作为排水材料，以混凝土结构作为路基。
   

    3 工程设计方法
   
    波纹管埋置于地面以下，主要外力有：填土的垂直土压力、填土的水平土压力、波纹管的自重、汽车荷载引起的水平和垂直压力。内力计算决定于外力的大小及外力的分布形式。根据实验资料，对于柔性圆形波纹管恒载土压力及车辆荷载压力分布，采用图 2 所示球形幅射状图形分布。水平变形及相关截面内力计算公式如下：
   
    水平变形计算公式
   

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