方拱形波纹钢管廊弯矩解析解及断面参数研究

方拱形结构因空间利用率较高而广泛应用于我国地下综合管廊的建设中,但其结构承载特征、力学机制及相关设计方法研究尚少。为研究方拱形波纹钢管廊结构弯矩的解析计算理论以及合理的断面形式,利用结构力学、土力学基本理论和相关规范,推导方拱形波纹钢综合管廊的弯矩解析解,并用二维平面应变模型对弯矩解析式的正确性进行验证,同时建立不同管顶覆土深度的方拱形波纹钢管廊三维地层-结构有限元数值模型,将数值分析结果与弯矩解析式计算的弯曲应力进行对比,分析弯矩表达式的适用覆土深度,基于弯矩解析表达式对管廊断面参数进行优化分析,并给出推荐断面参数范围。研究表明:1)方拱形波纹钢综合管廊的弯矩解析解与数值解相吻合,理论计算的弯矩与数值解的最大误差为5.79%;2)弯矩解析表达式的适用覆土深度为H≤10 m;3)针对依托工程,计算结果表明管廊断面矢跨比、顶板和侧板跨度比均处于0.6~0.8,管廊结构弯矩分布较合理,有利于保障结构安全。

重载铁路隧道衬砌病害套衬整治关键技术及应用

为解决重载铁路隧道衬砌空洞、剥落掉块等问题,提出适用于重载铁路衬砌病害整治的套衬技术,即波纹板套衬和钢拱架套衬。依托大秦铁路和尚坪隧道衬砌病害整治项目,从套衬结构设计、防腐处理、施工工艺等方面进行论述,建立数值模型对套衬加固效果进行分析,并论述了波纹板套衬和钢拱架套衬结构性能及适用性。结果表明:两种套衬方案均可增加隧道衬砌的承载能力,适用于大秦铁路隧道衬砌病害整治;波纹板套衬抗弯刚度较钢拱架套衬大;钢拱架套衬施工效率和经济效益大于波纹板套衬。

波纹钢综合管廊火灾下结构力学特性研究

为了给波纹钢综合管廊的防火设计提供参考数据,研究了火灾下波纹钢综合管廊的损伤、变形的规律。基于FDS软件,建立了圆形波纹钢综合管廊电力舱的火灾动力学模型,模拟得到了在灭火系统失效的情况下圆形波纹钢综合管廊火灾时舱室内温度演化规律。结果表明:电缆发生火灾时火灾迅速向上蔓延,最高温度可达1000℃以上,火灾可持续20~25min。在此基础上,利用通用有限元软件ABAQUS建立了波纹钢综合管廊的温度应力耦合模型,输入FDS模拟得到的温度边界,并且综合考虑了温度对波纹钢的各种材料特性的影响,模拟得到了波纹钢综合管廊火灾下结构力学特性。结果表明:波纹钢在火灾下温度会迅速升高,弹性模量和强度随之降低;在火灾持续燃烧4~5min时,综合管廊电力舱的地面和中隔墙处的角部首先出现屈服;在7min左右,波纹钢的承载力开始显著降低,随后钢结构变形快速发展直至完全破坏,尤其是舱室的腰部产生的水平位移较大;伴随着衬砌结构的屈服破坏,管廊上方的路面也出现了较大的沉降位移。

装配式波纹钢综合管廊研究与应用现状

装配式波纹钢综合管廊因其质量轻、设计标准化、施工时间短、装配简单、绿色环保以及优越的工作性能等优点成为城市地下空间有效利用的热门趋势。为进一步了解装配式波纹钢综合管廊,对其结构和性能特点、施工工艺以及应用现状进行阐述。

波纹钢管廊结构设计关键技术分析与问题探讨

波纹钢管廊结构具有受力性能优、施工时间短、造价低、环保性能好等优点。为深入了解波纹钢管廊结构的承载机制、破坏特征及装配化技术、规范化断面形式、土体加固方法及措施等关键设计方法,对美国、加拿大、澳大利亚等公路、铁路工程中的排水沟、地下通道、立交工程中波纹钢管道结构的应用情况进行介绍,分析梳理波纹钢管道在国外的工程应用、规范编制、技术特征和设计施工方法,并对波纹钢管结构的荷载计算、强度验算、设计流程和方法进行详细分析。结合国内波纹钢管廊建设技术的发展需要,从建设环境、结构断面形式、装配化、围护土体加固、最小埋置深度等方面探讨波纹钢管廊建设中存在的问题及发展趋势,提出对波纹钢管廊建设关键技术的研究建议。

预制装配式钢制波纹管地下综合管廊抗震计算方法研究

在钢制波纹管廊在一般场地的振动台缩尺模型试验研究基础上,基于ABAQUS利用时程分析法分析预制装配式钢制波纹管廊的抗震性能,并与振动台模型试验结果进行对比。数值模拟和试验结果加速度时程吻合较好,加速度放大系数及其傅里叶幅值谱规律一致,验证了有限元模型的合理性。利用验证合理的数值模型,通过改变埋深、场地条件、地震方向等参数,对管廊和土之间相互作用的机理进行了参数分析;结合国内外规范抗震设计方法,利用振动台试验和数值模拟结果,提出了考虑土-钢相互作用的钢制波纹管廊抗震计算方法并给出了算例。

非液化场地和可液化场地中预制装配式钢制波纹管综合管廊抗震性能振动台试验研究

介绍了预制装配式钢制波纹管地下综合管廊在非液化和可液化场地土环境下的系列振动台缩尺模型试验。研究结果表明:场地土与结构响应存在明显的相互影响,设计计算时应视为土-钢组合结构;管廊及其周围的土体在两类场地的动力响应存在明显的区别。具体而言,管廊及土体在可液化场地的加速度响应远小于其在非液化场地的加速度响应;在非液化场地中,管廊及内部支架结构在大震作用下均处于弹性状态,而在可液化场地中,管廊及内部支架在大震作用下均发生了一定程度的塑性破坏。为这类管廊的抗震设计计算和工程应用提供了试验和理论依据。

钢制综合管廊连接用热浸镀锌螺栓螺母的性能分析

钢制综合管廊连接用热浸镀锌螺栓螺母的力学性能直接影响了波纹钢板片拼接与接缝处的强度和刚度,对钢制综合管廊来说,螺栓螺母细节处的耐蚀性能关系着整个钢制结构体的寿命,全面分析热浸镀锌螺栓螺母的性能为后续钢制综合管廊的观测与试验做好铺垫。

预制装配式波纹钢综合管廊承载性能现场试验研究

为了检验新型预制装配式波纹钢结构综合管廊的承载性能,采用新型光纤传感技术和全站仪开展了方拱形双舱综合管廊现场试验,对回填过程中极限载荷作用下各板片的应变应力、接缝螺栓应力、结构变形及沉降、渗漏水状态进行了实时监测与分析.试验结果表明:波纹钢结构综合管廊承载力高,当覆土厚度达到设计值3倍时结构仍未被破坏;增加覆土厚度将引起顶板的环向应变及挠度显著增大,而其他板片的相应监测值变化不明显,覆土厚度为10 m时最大应力值和最大挠度值分别为356.78 MPa和7.90 mm;环向接缝螺栓的轴向应力普遍大于纵向螺栓,最大轴向拉应力为120.96 MPa;综合管廊接头的最大张开量为0.43 mm,未出现漏水现象,仅出现3处小面积湿渍.试验结果均符合当前设计标准或技术规范,可为方拱形双舱波纹钢结构综合管廊的推广、施工及运行维护提供参考.

装配式波纹钢综合管廊施工回填过程受力特性试验研究

装配式波纹钢综合管廊(Prefabricated Corrugated Steel Utility Tunnel,PCSUT)是一种新型管廊结构,为明确其施工回填过程结构受力特性,以河北省衡水市武邑县某多舱装配式波纹钢综合管廊工程为依托,选取了3个监测断面对回填过程中管廊综合舱及燃气舱的位移、应变、舱外土压力进行现场监测试验.结果表明:回填到综合舱拱顶时综合舱竖向位移及水平向位移相对较大,此时结构处于相对不利状态,回填到拱顶之后综合舱位移开始恢复;燃气舱由于其截面形状的特殊性,整体竖向位移值接近,水平向最大位移发生在拱腰位置;舱体应力可分解为弯矩引起的弯曲应力和轴力引起的轴向应力,设计计算过程须考虑弯矩和轴力的组合效应;管廊回填过程土-结相互作用明显,回填结束时舱外土压力沿拱轴线并非完全一致,其大小分布与主体结构相对于回填土体的位移状态有关.研究成果可全方面解释装配式波纹钢综合管廊施工回填过程受力特性,为后续研究、设计、施工提供案例支撑.

土-钢共同作用下大跨度波纹钢板管廊结构局部屈曲分析

对于采用深波和大波波形的大跨度波纹钢板综合管廊,其截面平直段在结构整体达到极限承载力之前可能发生局部屈曲。采用Rayleigh-Ritz法对大跨度综合管廊结构中波纹钢板平直段的局部屈曲进行分析。将波纹段考虑为平直段的弹性约束,土体作用考虑为只能承受压力的弹性基底,根据环压理论,得到了钢板平直段在环向均布压力作用下屈曲半波数分别为偶数和奇数时的屈曲荷载理论解。讨论了转动弹簧约束系数对临界屈曲系数的影响,得出非加载边波纹段对平直段的约束作用可视为简支或固支的转动约束系数值;得到了土体弹簧刚度与屈曲荷载间呈线性关系;讨论了板件纵横比与临界屈曲系数间的关系,得到了临界屈曲系数趋于定值时相应的板件纵横比,给出了简化公式。通过有限元值、简化公式值与理论值的对比,证实了简化公式的适用性。最后,根据屈服准则和等稳准则,提出相应的防止大跨径波纹钢板局部屈曲的宽厚比限值的计算公式,可为实际工程提供参考。

浅埋预制钢波纹管城市综合管廊抗震性能研究

针对浅埋预制钢波纹管城市综合管廊工程实例,利用时程分析法分析管廊抗震性能,并与振动台模型试验结果进行对比。研究结果表明,振动台试验与数值模拟得到的加速度时程吻合较好,加速度放大系数及傅里叶幅值谱规律一致,验证了有限元模型的合理性;在地震作用下,管廊结构和土体加速度傅里叶幅值谱几乎相同,管廊结构地震响应服从于周围土体的地震响应,结构和土体之间存在显著的相互作用;管廊结构自身应力较小,即使在地震烈度为9度罕遇地震激励下,最大应力也远低于屈服强度,处于弹性状态;管廊的存在影响了土压力的分布,上覆回填土在管廊肩部附近应力最大;设计时应考虑结构与土的相互作用,以管廊周围土体的破坏作为主要控制因素,并在施工时重视回填土的质量控制。

内部悬挂荷载作用下波纹钢综合管廊结构特性研究——以河北省衡水市武邑县地下综合管廊工程(一期)为例

为明确悬挂荷载对波纹钢管廊结构特性的影响,以河北省衡水市武邑县地下综合管廊工程(一期)为依托,采用现场试验和有限元分析相结合的方法,分析悬挂荷载下波纹钢综合管廊的变形及受力情况。研究结果表明:1)现场试验挂点位置在拱顶90°(两侧各45°)范围以内,悬挂荷载作用下结构变形不大于2 mm,当前设计管线悬挂荷载对结构影响不大;2)悬挂荷载作用点离拱顶位置越近,结构响应越大,对结构越不利;3)悬挂荷载存在某一限值,在此之前结构最大应力由覆土恒荷载控制,超过该限值后结构最大应力转为由所施加的悬挂荷载控制;4)随着悬挂荷载的不断增加,加载点位置出现局部应力屈服,但结构整体承载刚度保持不变。

波纹钢拼装式连拱明洞结构受力数值分析

为了验证波纹钢拼装式连拱明洞结构的可行性,以高山寨隧道为工程背景,采用ABAQUS开展了波纹钢-混凝土结构明洞受力的数值分析。结果表明,明洞结构左右洞均是拱顶靠近中墙侧沉降值最大,右洞拱顶偏左处竖向沉降值最大,靠近边坡侧水平位移最大;明洞波纹钢结构在靠近中墙处和两侧拱脚的弯矩值最大,在两侧拱肩处波纹钢应力值最大;混凝土结构在两侧拱腰处应力最大;明洞结构受力状态处于安全范围内。

波纹钢板在隧道明洞结构中的应用研究

为研究波纹钢拱圈式隧道明洞结构的力学性能,为该类型隧道明洞结构的应用提供理论依据,以某隧道窗孔式明洞为工程背景,采用有限元数值模拟方法进行受力分析。首先,分析明洞结构中基础底座、混凝土拱圈和波纹钢拱圈的应力分布特点;其次,从弯矩、轴力和位移3个方面研究波纹钢板的厚度对该明洞结构受力的影响;最后,从弯矩、轴力和位移3个方面研究钢拱圈不同矢跨比对该明洞结构受力的影响。研究结果表明:1)基础底座的内外墙根部截面应力较大,为结构受力最不利位置,混凝土拱圈和波纹钢拱圈在拱脚和拱顶附近位置处受力较大; 2)随着波纹钢板厚度的增加,内外墙底部截面的弯矩均有所减小;外墙底部截面的轴力有所减小,而内墙底部截面的轴力有所增加;钢拱圈的横向和竖向位移均有所减小; 3)随着钢拱圈矢跨比的减小,内外墙底部截面的弯矩不断增加,且内墙底部截面弯矩增加更为明显;内外墙底部截面的轴力不断减小;钢拱圈的横向位移不断减小,竖向位移出现先减小后增加的趋势。

装配式波纹钢拱形棚洞结构的研究初探

文章以亚巴明洞为工程依托,从满足工程建设快速、经济、安全等实际要求出发,采用数值分析的研究手段,开展装配式波纹钢拱形棚洞结构的研究初探。通过对结构在最不利工况荷载条件下变形与受力特征的计算分析,探明了结构的受力不利位置。根据《JTG D70-2004公路隧道设计规范》,验算了各不利位置的安全系数和裂缝宽度,说明了装配式波纹钢拱形棚洞结构在公路工程建设中应用的技术可行性和安全可靠性。与传统钢筋混凝土矩形棚洞结构对比,论述了装配式波纹钢拱形棚洞结构的工程效应和推广价值。结合以往波纹钢在公路桥涵中的案例经验,从设计和施工的角度提出了几点应用建议,为类似工程建设提供一定参考。

不同截面形式的波纹钢综合管廊结构受力性能分析

依托平遥古城基础设施提升改造项目中综合管廊建设工程,针对波纹钢综合管廊结构,利用有限元软件构建不同截面形式的三维土层-结构数值模型,探究不同截面形式对波纹钢管廊结构受力特点和变形规律的影响。同时揭示了不同断面形式的波纹钢管廊结构最不利受力位置,分析了超载作用对波纹钢管廊结构受力性能的影响。研究结果表明:矩形断面波纹钢综合管廊结构受力性能良好。圆形断面和马鞍形断面结构腰部位置横向变形和内力最大,矩形断面结构4个角处节点的变形和受力最大。不同断面形式的管廊结构底部均向内收缩变形,且管廊结构竖向变形量比横向变形量大。因此,在实际工程中,应关注波纹钢管廊结构变形量,尤其是结构竖向变形。

矩形波纹钢地下综合管廊结构受力特征分析

针对矩形波纹钢地下综合管廊结构,采用大型有限元软件建立三维精细化数值模型,详细地探究了超载、地质条件与埋深三种关键因素对矩形波纹钢地下综合管廊结构受力变形特征的影响规律,系统地揭示了矩形波纹钢地下综合管廊结构最不利受力位置。研究结果表明超载条件下矩形波纹钢地下综合管廊结构应力峰值比无超载条件下应力峰值增加了45.2%,地质条件对结构变形和受力影响较大,结构应力、横向扩张变形和结构沉降量均随埋深的增大而增大。

装配式波纹钢板综合管廊连接节点抗震性能分析

为探究波纹钢板综合管廊在低周循环往复荷载作用下的滞回性能,以某波纹钢板综合管廊实际工程为依托,采用数值模拟与试验相结合的方法,研究管廊在横向、纵向、竖向共6种荷载工况下的抗震性能,以及法兰连接、法兰厚度、管廊壁厚(波纹钢板厚度)、螺栓位置等参数对结构滞回性能的影响。研究结果表明:1)在低周循环往复荷载作用下,波纹钢板综合管廊塑性变形能力强,抗震性能良好;但管片拼装节点处是其薄弱位置,易发生脱开现象。2)法兰对结构力学性能及滞回性能的影响显著,但法兰厚度改变对其影响较小。3)环向法兰上螺栓的位置对结构纵向滞回性能影响较大,对其他方向滞回性能则几乎无影响。4)波纹钢板厚度是影响结构抗震性能的关键因素。

矩形波纹钢地下综合管廊结构抗震性能分析

以矩形断面波纹钢综合管廊结构为主要研究对象,结合有限元分析软件建立土层-结构数值模型,系统地探究了地震加速度峰值、波纹钢结构刚度、土体刚度等因素对矩形断面波纹钢综合管廊结构抗震性能的影响规律,明确了矩形断面波纹钢综合管廊结构在地震荷载作用下不同工况的最不利受力和变形位置。研究结果表明,管廊结构内力与变形随地震加速度峰值增大而增大;管廊结构刚度增大,结构内力随之增大,反之减小;管廊结构内力、变形和层间位移角均随土体刚度的增大而减小,且土层刚度越小,对结构变形影响更明显。