【摘 要】
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波纹钢结构具有施工速度快、工程造价低、耐久性好等优势,在公路管涵、隧道、综合管廊和防护工程中得到广泛应用。其中,综合管廊、地下隧道等应用场景为充分利用空间,更适合使用浅拱形（矢跨比小于1/5的拱）波纹钢结构。随着结构逐渐向大跨度、高负荷方向发展,现有波纹钢结构的稳定问题逐渐突出,在承受较大荷载时可能发生结构失稳。本文提出了一种波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱构件,其截面刚度大幅提高,可有效改善波纹钢结构
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“波纹钢-混凝土组合拱静力与长期性能研究”（项目号:52078167）； 黑龙江省杰出青年基金《压-弯-扭复杂荷载作用下波纹钢管混凝土构件滞回性能研究》（项目号:JQ2021E003）；
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波纹钢结构具有施工速度快、工程造价低、耐久性好等优势,在公路管涵、隧道、综合管廊和防护工程中得到广泛应用。其中,综合管廊、地下隧道等应用场景为充分利用空间,更适合使用浅拱形（矢跨比小于1/5的拱）波纹钢结构。随着结构逐渐向大跨度、高负荷方向发展,现有波纹钢结构的稳定问题逐渐突出,在承受较大荷载时可能发生结构失稳。本文提出了一种波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱构件,其截面刚度大幅提高,可有效改善波纹钢结构的稳定性和承载力不足问题。国内外目前尚无针对波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱的试验研究和设计方法,其在荷载作用下的破坏模式和受力机理尚不清晰。为此,本文开展了波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱单点加载和三点加载的力学性能试验研究,获得了破坏模式、荷载-变形曲线等关键力学性能指标;在此基础上建立了精细化有限元模型,对截面尺寸、材料强度等关键参数的影响规律进行了分析,最终建立了考虑矢跨比影响的波纹钢-钢筋混凝土组合拱的轴压以及压弯稳定承载力计算公式。主要研究内容如下:（1）开展了8个波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱的单点加载试验。以加载工况、矢跨比、栓钉间距和材料强度为研究参数,获得了其破坏模式、极限承载力和全过程荷载-位移曲线,并考察了不同矢跨比和不同加载方式的波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱的破坏模式变化;基于波纹钢应变分布情况,分析了组合浅拱沿跨度的截面应力发展规律,揭示了单点加载下组合浅拱的组合效应和约束效应。（2）开展了3个波纹钢-钢筋混凝土组合浅拱和1个钢筋混凝土浅拱的三点加载试验。以截面尺寸和结构形式为研究参数,获得了其破坏模式、极限承载力和全过程荷载-位移曲线,对比分析了破坏模式和极限承载力的差异,基于波纹钢应变分布情况,分析了组合浅拱沿跨度的截面应力发展规律,揭示了组合浅拱的组合效应和约束效应。（3）建立了波纹钢-钢筋混凝土组合拱精细化有限元模型,并提出了轴压稳定承载力计算公式。采用ABAQUS有限元软件建立了精细化非线性有限元实体模型,基于试验结果,验证了模型的合理性与准确性;在此基础上,分析了材料强度、截面尺寸、拱脚位移等参数对波纹钢-钢筋混凝土组合拱承载力的影响规律;借鉴国内外规范现有的承载力计算方法,建立了波纹钢-钢筋混凝土组合拱轴压稳定承载力计算公式,确定了面内整体稳定系数的取值。（4）提出了考虑荷载工况和矢跨比影响的波纹钢-钢筋混凝土组合拱压弯稳定承载力计算公式。基于有限元模型,获得了不同矢跨比组合拱在常见工况下沿跨度的轴力和弯矩分布规律,分析了材料强度、截面尺寸、拱脚位移等参数对波纹钢-钢筋混凝土组合拱压弯承载力的影响;计算了弹塑性理论和塑性理论下组合截面的压弯承载力,获得了组合截面的Nu-Mu关系曲线,并编制了自动计算程序;开展了不同矢跨比、长细比和荷载工况的波纹钢-钢筋混凝土组合拱弹性和弹塑性有限元分析,对比现有规范中钢筋混凝土拱的承载力计算公式,提出了考虑荷载工况和矢跨比影响的波纹钢-钢筋混凝土组合拱压弯稳定承载力计算公式。
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