本发明涉及土木工程技术领域，尤其是涉及一种管型涵洞截面的三连弧设计方法。
背景技术：
涵洞是土木工程的重要组成结构，在国内外大量使用于路线两侧水系的连通。目前，涵洞建造普遍存在的问题如下：
1、结构构造尺寸设计不合理，建造用材较浪费，单体造价指标居高不下；
2、标准化、体系化存在缺陷，采用预制结构后，常常成为施工附加负担；
3、规模化、工业化效应不佳，常常落入技术高，但造价也高的尴尬处境；
4、设计不统一，结构形式多，发展实用准确的设计方法已成为当务之急。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种管型涵洞截面的三连弧设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种管型涵洞截面的三连弧设计方法，用以获取管型涵洞截面内轮廓线的几何参数，该方法包括以下步骤：
1)确定涵洞截面内轮廓线的设计基准；
2)确定涵洞截面内轮廓线的设计基本控制参数a和基本定形参数u；
3)确定参数a和u与涵洞截面内轮廓线的关联模式并建立管型涵洞截面的三连弧设计模型；
4)根据管型涵洞截面的三连弧设计模型对基本定形参数u进行循环修正，直至满足基本控制参数a的要求。
所述的步骤2)中，基本控制参数a为已知参数，包括涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形宽度bk、涵洞内水流通行面积sj、内轮廓线净高度控制值hj和底线横坡i。
所述的步骤2)中，基本定形参数u为待定参数，包括涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形高度hk、顶圆弧半径r1和半圆心角α1、侧上圆弧半径r2和圆心角α2、侧下圆弧半径r3和半圆心角α3、内轮廓线净高度计算值hj＇以及净宽度计算值bj。
所述的参数a和u与涵洞截面内轮廓线的关联模式包括：
(1)涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形尺度bk×hk的上角点和下角点分别为涵洞截面内轮廓线上顶圆弧端部和侧下圆弧下端；
(2)涵洞截面内轮廓线除在底线中点设理论折点外，其余均为连续曲直切线。
所述的管型涵洞截面的三连弧设计模型为：
其中，b3、b4、a4、a5均为中间参量。
所述的步骤4)具体包括以下步骤：
41)确定内接基准矩形宽度bk、涵洞内水流通行面积sj、内轮廓线净高度控制值hj和底线横坡i的值，以及半圆心角α1的初始值；
42)根据三连弧设计模型计算基本定形参数u的值；
43)判断内轮廓线净高度计算值hj＇是否大于内轮廓线净高度控制值hj，若是，则减小半圆心角α1的值，并返回步骤42)，若否，则判断内轮廓线净高度计算值hj＇是否小于内轮廓线净高度控制值hj，若是，则增大半圆心角α1的值，并返回步骤42)，若否，则进行步骤44)，半圆心角α1的增大和减小幅度初始定为1度，至出现过度情况时，则开始采用两分法定幅度，每次取偏小值和偏大值的中值，直至hj＇与hj的差值小于0.05mm。
44)获取最终的基本定形参数u的设计值。
所述的步骤1)中，涵洞截面内轮廓线的设计基准统一为一个通道截面内轮廓线的内接基准矩形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、设计精确：本发明提出了一种对管型涵洞进行精确设计的方法。以内轮廓线为基准的设计保证了涵洞截面的设计同时精确满足水流通行面积的要求和环境限高的要求。
二、本发明统一了设计思路，规范了设计步骤。规定了设计首先应明确的参数a和后续应计算的参数u；建立了内轮廓线上参数关联模式，强制形成参数a和参数u的关系，给出参数u的分步计算方法；避免了以往为求方便，独立设置各参数，虽可满足设计要求，但截面内轮廓线多折线，截面形状无规则的现象。
三、标准化设计：本发明解决了管型涵洞的截面定形问题，推动了管型涵洞的标准化设计和规模化应用。在管形涵洞截面参数较多，且彼此关联的情况下，给出了参数的内在关系和主导程度，兼顾了灵活调整截面形状并尽量简化截面参数的要求。据此设计，多涵洞可在基本控制参数a不同的情况下，实现基本定形参数u的部分准确相同，为后续进行的构件标准化设计创造条件，以减少构件种类和模板种类，实现通用构件的规模化集约制造。
附图说明
图1为4m×3.2m型管型涵洞截面内轮廓线示意图。
图2为本发明的一种管型涵洞三连弧设计方法的设计参数a、u示意图。
图3为图1的管型涵洞截面内轮廓线细部构造图。
图4为图1的管型涵洞总体布置示意图。
图5为基本定形参数u进行循环修正计算过程。
图中：1-涵洞截面内轮廓线；2-顶圆弧；3-侧上圆弧；4-侧下圆弧；5-底线；6-内接基准矩形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例：
本发明提供一种管型涵洞的三连弧设计方法，其三连弧为涵洞截面内轮廓线上连续相切的顶圆弧、侧上圆弧和侧下圆弧，本发明的设计是指涵洞截面内轮廓线的几何参数计算，包括以下几个步骤：
(1)建立涵洞截面内轮廓线设计的基准，统一为一个通道截面内轮廓线的内接基准矩形；
(2)确定涵洞截面内轮廓线设计的基本控制参数a和基本定形参数u，涵洞截面内轮廓线设计基本控制参数a为已知参数，包括涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形宽度bk、涵洞内水流通行面积sj、内轮廓线净高度控制值hj、底线横坡i，涵洞截面内轮廓线设计基本定形参数u为待定参数，包括涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形高度hk、顶圆弧半径r1和半圆心角α1、侧上圆弧半径r2和圆心角α2、侧下圆弧半径r3和半圆心角α3、净高度计算值hj＇、净宽度计算值bj；
(3)建立参数a、u与涵洞截面内轮廓线的关联模式及参数a、u之间的关系公式，参数a、u与涵洞截面内轮廓线的关联模式包括：
1、涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形尺度bk×hk的上角点和下角点分别为涵洞截面内轮廓线上顶圆弧端部和侧下圆弧下端；
2、涵洞截面内轮廓线除在底线中点设理论折点外，其余为连续曲直切线。
(4)对基本定形参数u进行循环修正计算，直至满足基本控制参数a的要求，具体步骤如图5所示；
如图1所示，管型涵洞截面内轮廓线1由顶圆弧2、侧上圆弧3、侧下圆弧4、底线5组成，以一个内接基准矩形6为辅助设计的基准。
如图2所示，涵洞截面内轮廓线1设计采用三连弧设计方法。内接基准矩形6的上角点和下角点分别为涵洞截面内轮廓线1上顶圆弧2端部和侧下圆弧4下端。涵洞截面内轮廓线1除在底线5中点设理论折点外，其余为连续曲直切线。
如图3所示，涵洞截面内轮廓线1设计基本控制参数a为已知参数，其中，标准宽度bk＝3000mm，涵洞内水流通行面积sj＝11.25m2，净高度hj不予控，底线5双向横坡i＝4％。
涵洞截面内轮廓线1设计基本定形参数u为待定参数，包括涵洞截面内轮廓线的内接基准矩形高度hk、顶圆弧半径r1和半圆心角α1、侧上圆弧半径r2和圆心角α2、侧下圆弧半径r3和半圆心角α3、净高度计算值hj＇、净宽度计算值bj。
计算时，α1取优选值45°，其余基本定形参数按下列公式计算：
其中，b3、b4按下列公式计算：
由于净高度不予控制，一次性计算求得：hk＝2458mm，r1＝2121mm，r2＝2470mm，α2＝45°，r3＝754mm，α3＝87.7°，hj＇＝3181mm，bj＝4447mm。
如图4所示，采用本发明提出的精确设计方法，管型涵洞统一了设计思路，规范了设计步骤，实现了标准化设计，促进了规模化应用。