覆土波紋鋼板拱橋動(dòng)力及穩(wěn)定性有限元研究樣本

目錄第一章緒論 11.1引言 11.2研究背景 41.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 41.2.2研究?jī)?nèi)容及辦法 6第二章構(gòu)造簡(jiǎn)化 82.1剛度等效 82.1.1截面特性計(jì)算辦法 82.1.2剛度等效辦法 102.2回填土模型簡(jiǎn)化 12第三章建立ANSYS模型 143.1ANSYS簡(jiǎn)介 143.1.1ANSYS軟件提供分析類(lèi)型 143.1.3ANSYS后解決模塊 163.2有限元法簡(jiǎn)介 173.3有限元模型建立 183.3.1建立整體效果模型 193.3.2建立簡(jiǎn)化分析模型 19第四章計(jì)算分析 244.1靜力驗(yàn)算 244.2動(dòng)力分析 274.3穩(wěn)定分析 324.4對(duì)比分析 354.4.1不等高回填 364.4.2固定支座 374.4.34mm厚波紋鋼板 37第五章結(jié)論與展望 395.1結(jié)論 395.2展望 39參照文獻(xiàn) 41摘要：覆土波紋鋼板構(gòu)造已經(jīng)成為了一種經(jīng)濟(jì)能較好代替老式鋼構(gòu)造和混凝土構(gòu)造代替品。大量覆土波紋鋼板構(gòu)造遍及世界。國(guó)內(nèi)對(duì)這種橋梁設(shè)計(jì)重要參照國(guó)外規(guī)范。因而對(duì)該類(lèi)型構(gòu)造進(jìn)行動(dòng)力及穩(wěn)定性能分析在國(guó)內(nèi)波紋鋼板橋設(shè)計(jì)研究方面具備重要意義。本文以?xún)?nèi)蒙覆土波紋鋼板拱橋?qū)嶋H工程為例，通過(guò)波紋板剛度等效建立了二維有限元模型，考慮土-鋼構(gòu)造共同作用，將施工各階段動(dòng)力及穩(wěn)定性能進(jìn)行分析，總結(jié)變化規(guī)律。摸索失穩(wěn)模態(tài)，找出失穩(wěn)核心階段以及失穩(wěn)點(diǎn)。做出不同覆土回填方式、不同拱腳連接方式、不同厚度波紋鋼板對(duì)比，找出其中差距，分析因素。研究表白：簡(jiǎn)化模型可以滿(mǎn)足工程精度規(guī)定；將土體簡(jiǎn)化為平面實(shí)體有限元模型可以考慮土與構(gòu)造互相作用，但土種類(lèi)有各種，應(yīng)進(jìn)一步研究土體材料參數(shù)選取和土與構(gòu)造界面解決。核心詞：波紋鋼振動(dòng)穩(wěn)定土-鋼構(gòu)造ABSTRACT:Buriedcorrugatedsteelarchbridgeshavebeensuccessfullyusedasacheapalternativetotheconventionalsteelorreinforced/pre-stressedconcretebridges.Aconsiderablenumberofthesestructuresarespreadallovertheword.Thiskindofbridgedesignmethoddependsonforeigncodeinourcountry.Butmostofcurrentlyusedproceduresneglectorapproximatethesoil—structureinteraction.Therefore，itisofgreatimportancethatthestructureofthetypeofdynamicandstabilityanalysisofcorrugatedsteelbridgedesigninourresearch.Inthisstudy，themodelofaBuriedcorrugatedsteelarchbridgebeingdesignedinInnerMongoliaareperformed.Consideringthesoil-steelstructureinteraction，Willpowerthevariousstagesofconstructionandstabilityanalysis，summaryofchanges.Exploretheinstabilitymodes，findoutkeystagestoinstabilityandinstabilitypoint.Usingthedifferentsoilbackfillmethod，differentconnectionofarchfoot，differentthicknessofCorrugatedsteelplate，andmakingcomparativeanalysis.Findingoutthegap，analyzingthereasons..Thestudyshowsthattheresultsofequivalentstiffnessmodelareaccurateenoughfordesign.However，thereareavarietyofsoiltypes，shoulddomoreresearchonsoilmaterialparameterselectionandprocessingofsoil-structureinterface.KEYWORDS：corrugatedsteelvibrationstabilitysoil—structureinteraction序近年來(lái)，隨著著高級(jí)別公路建設(shè)里程不斷增長(zhǎng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力提高，某些新型構(gòu)造、新工藝、新材料，正層出不窮地應(yīng)用到公路建設(shè)中。涵洞及小橋是公路和鐵路工程中重要構(gòu)成某些之一，在工程造價(jià)上，占有相稱(chēng)比重。據(jù)記錄：小橋涵工程數(shù)量約占橋涵總數(shù)70～80％，平原地區(qū)，每公里平均約有1～3道(座)，山嶺重丘地區(qū)，每公里平均約有4～6道(座)，小橋涵工程造價(jià)約占橋涵總額50％以上。當(dāng)前小橋涵絕大某些為圬工或混凝土構(gòu)造，其缺陷是施工工序繁瑣、周期長(zhǎng)，并且在使用過(guò)程中經(jīng)常浮現(xiàn)混凝土板裂縫、基本下沉或裂縫等病害，影響構(gòu)造正常使用。覆土波紋鋼板小橋是一種比普通混凝土構(gòu)造有很大優(yōu)越性新型構(gòu)造橋梁。用波紋鋼板建設(shè)成拱，并在上面覆土形成道路小橋涵叫覆土波紋鋼板小橋。盡管覆土波紋板構(gòu)造橋梁相對(duì)經(jīng)濟(jì)并且便于施工，但它卻難于用數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)分析，這正是人們不能較好理解其動(dòng)力及穩(wěn)定性能重要因素。我校和內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院共同參加了西部交通科技項(xiàng)目——波紋鋼板覆土小橋設(shè)計(jì)與力學(xué)分析。我校參加了內(nèi)蒙錫盟國(guó)道207桑根達(dá)來(lái)至寶昌段K199+480小橋設(shè)計(jì)工作，并依照此工程設(shè)計(jì)工作，摸索這種新型組合構(gòu)造橋梁動(dòng)力及穩(wěn)定性能。國(guó)際上對(duì)覆土波紋板小橋動(dòng)力及穩(wěn)定性能分析并不進(jìn)一步，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究則剛剛起步，對(duì)于此種構(gòu)造設(shè)計(jì)往往依托經(jīng)驗(yàn)或者憑借直覺(jué)。盡管這種構(gòu)造應(yīng)用廣泛，構(gòu)造設(shè)計(jì)卻往往憑經(jīng)驗(yàn)。這種新型橋涵構(gòu)造在世界上尚無(wú)精確計(jì)算分析辦法。第一章緒論1.1引言從鋼材工人J．H．Waston于1886年在美國(guó)申請(qǐng)波紋鋼管專(zhuān)利算起，波紋鋼這種構(gòu)造在世界上已有100近年歷史了。盡管Watson生前極力地推廣這種新型構(gòu)造，但是直到她去世時(shí)，這種構(gòu)造使用效果仍不明朗，因而未得到業(yè)界廣泛承認(rèn)。1892年，W.Q.O’Neill買(mǎi)斷了波紋鋼專(zhuān)利并建立了第一家專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)道路商業(yè)波紋鋼管工廠，從此，波紋鋼管產(chǎn)品開(kāi)始在全世界得到大量使用。1896年，美國(guó)交通部率先進(jìn)行了波紋鋼板通道、涵洞可行性研究，并一方面應(yīng)用于公路涵洞。19，首條拼裝式構(gòu)造板波紋鋼管涵洞應(yīng)用于英國(guó)蘭愛(ài)丁堡近郊農(nóng)田灌溉，1923年，美國(guó)鐵路工程協(xié)會(huì)在伊利諾斯州中央鐵路進(jìn)行測(cè)試；1929年加拿大首座波紋管應(yīng)用于一煤礦中；1931年澳大利亞初次建成8m汽車(chē)通道一座；1979年加拿大《安大略省公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(OntarioHighwayBridgeDesignCode)，1990年《日本高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范》制定了波紋管設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范。韓國(guó)自1997年開(kāi)始研究應(yīng)用鋼波紋管涵洞，通過(guò)吸取國(guó)外設(shè)計(jì)與施工技術(shù)，到在韓國(guó)相繼修建了700余處波紋鋼板涵洞。隨著波紋管在世界各地安裝使用，證明此種構(gòu)造物在各種使用狀況通用性，并且其壽命已超過(guò)了設(shè)計(jì)壽命。在美國(guó)、加拿大等某些發(fā)達(dá)國(guó)家，波紋管涵已被廣泛應(yīng)用于公路工程，并制定了相應(yīng)設(shè)計(jì)、制造及施工安裝手冊(cè)，積累了較為成熟波紋管涵設(shè)計(jì)理論及修建經(jīng)驗(yàn)。特別是在加拿大、美國(guó)等分布有近年凍土國(guó)家，由于其良好散熱性能、較強(qiáng)變形適應(yīng)能力，更成為涵洞與管道修筑重要形式，已廣泛應(yīng)用于道路工程。國(guó)內(nèi)于二十世紀(jì)50年代修建青藏公路不凍泉段時(shí)曾將波紋管涵應(yīng)用于搶修工程，到70年代開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)其使用狀況良好。1997—1999年在青藏公路修筑中，近年凍土地段通過(guò)采用鋼波紋管涵洞這種新型構(gòu)造，較好解決了寒區(qū)因融沉與凍脹導(dǎo)致構(gòu)造破壞。近幾年來(lái)，青海、內(nèi)蒙、西藏、黑龍江等省市也開(kāi)始在公路中使用鋼波紋板管涵。相較其他材料，波紋鋼管具備明顯優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)體當(dāng)前強(qiáng)重比，抗破壞性，耐火性，耐腐蝕性，安裝便利性，無(wú)需養(yǎng)護(hù)，對(duì)各種環(huán)境適應(yīng)性。運(yùn)用多層復(fù)合板技術(shù)，波紋鋼管可以廣泛地使用在各種尺寸與形狀構(gòu)造物中。在工廠中，特大波紋鋼被加工成構(gòu)造板，再通過(guò)成形與鍍漆。便利整捆分發(fā)方式，鋼板很容易被接成一種整體構(gòu)造。(1)耐久性：波紋鋼板具備很長(zhǎng)使用年限。(2)全天候安裝施工：天氣不是障礙，波紋鋼板可以適應(yīng)北極冰冷和沙漠炎熱。(3)設(shè)計(jì)多功能性：預(yù)制檢修孔，拱肩和零件都可以拆開(kāi)來(lái)水運(yùn)，構(gòu)造質(zhì)輕且易于控制。(4)強(qiáng)度：大量研究項(xiàng)目證明了土–鋼共同作用概念，通過(guò)恰當(dāng)設(shè)計(jì)與安裝彈性管系統(tǒng)，荷載被有效地傳遞到了土層。(5)適應(yīng)性：波紋鋼板構(gòu)造可較好地適應(yīng)惡劣土壤環(huán)境，在運(yùn)送線路、深埋構(gòu)造、代替鐵路高架橋上某些應(yīng)用僅僅是它應(yīng)用一種方面。此外尚有低費(fèi)用、安裝便捷、輕質(zhì)等長(zhǎng)處。波紋鋼板橋涵涉及波紋板小橋和波紋鋼管涵。用波紋鋼板建設(shè)小橋叫波紋鋼板小橋：波紋鋼板卷制成管節(jié)，修建成涵洞叫波紋鋼管涵。小橋普通是指單孔跨徑為5—20米，多孔跨徑總長(zhǎng)為8—30米橋涵；涵洞普通是單孔跨徑在5米如下，多孔跨徑總長(zhǎng)在8米如下橋涵構(gòu)造。小橋和涵洞作為在公路工程建設(shè)中常用重要構(gòu)造設(shè)施，在國(guó)內(nèi)公路建設(shè)中具備重要作用。構(gòu)造工程師可以從規(guī)范中截面形式一覽表中選出相應(yīng)于各功能規(guī)定期最優(yōu)構(gòu)造方案，這些功能滿(mǎn)足了不同埋深、不同荷載(公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)跑道)、不同應(yīng)用功能(過(guò)水與通行)下規(guī)定。本文所簡(jiǎn)介拱涵屬于開(kāi)放式波紋管橋拱，其構(gòu)造類(lèi)型與功能列于下表：表1-1波紋鋼板小橋構(gòu)造功能類(lèi)型構(gòu)造名稱(chēng)構(gòu)造形式尺寸(跨度m×矢高m)功能與應(yīng)用拱1.8×1—7.6×3.8凈空較小，過(guò)水面較大，形式優(yōu)美，無(wú)損天然河床環(huán)境和諧型界面低弧拱6.1×2.3—13.7×5.7涵洞，小橋，下水道，凈空較小，過(guò)水?dāng)嗝孑^大，無(wú)損天然河床環(huán)境和諧型界面。高弧拱6.2×2.8—10.8×6.1涵洞，小橋，小水管，矢高較大，斷面較大，無(wú)損天然河床環(huán)境和諧型界面。梨形拱7.0×7.1—9.3×7.7鐵路通道或其他規(guī)定凈空較大狀況。箱涵2.7×0.8—7.8×3.1矢高較小，跨度較大涵洞，是小跨度橋梁較好代替。應(yīng)用波紋鋼板小橋構(gòu)造，可以發(fā)揮其優(yōu)良變形協(xié)調(diào)能力和良好抗疲勞性能。對(duì)防止和解決涵洞因融沉和凍脹而導(dǎo)致破壞十分有效，且具備施工簡(jiǎn)樸、工期較短、運(yùn)送以便等特點(diǎn)，特別是鋼波紋板橋涵對(duì)地基擾動(dòng)小，對(duì)土層熱擾動(dòng)小，不滲水，有助于保持寒區(qū)水土，較混凝土蓋板涵更合用于寒區(qū)公路。在不久將來(lái)，隨著對(duì)波紋鋼板橋涵進(jìn)一步研究與改進(jìn)，此類(lèi)構(gòu)造必將成為寒區(qū)公路建設(shè)中重要構(gòu)造形式。老式鋼筋混凝土和圬工砌體構(gòu)造原材料價(jià)格比較低，一次性建設(shè)成本比較低，適合當(dāng)時(shí)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，幾十年來(lái)在小橋和涵洞建設(shè)中占有重要位置，但是其缺陷是很明顯：(1)施工較繁瑣，圬工工程量比較大，從開(kāi)始施工到單幅通車(chē)所需工期較長(zhǎng)。(2)涵洞普通為多管節(jié)組合體，管節(jié)間不存在強(qiáng)度聯(lián)結(jié)，中間管節(jié)開(kāi)裂會(huì)沉降導(dǎo)致路面縱向開(kāi)裂，影響公路使用；在寒冷地區(qū)，涵洞一種管節(jié)凍起或下沉?xí)?dǎo)致整座涵洞破壞。(3)使用壽命短，易腐蝕，普通達(dá)不到五年有效期限。(4)小橋造型不夠美觀，比較笨重。近年來(lái)浮現(xiàn)玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管和鋼筋混凝土管相比，具備諸多長(zhǎng)處如：質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、剛度大；輸水性能良好；耐熱、防凍、抗藻性能好；耐磨性好；設(shè)計(jì)靈活，運(yùn)送安裝以便；使用壽命長(zhǎng)、綜合經(jīng)濟(jì)效益好。在技術(shù)條件容許狀況下，能較好地代替鋼筋混凝土和圬工砌體構(gòu)造。和上述兩種材料建造橋涵相比，波紋鋼板橋涵具備如下特點(diǎn)：(1)重量比較輕。相似管徑管涵，波紋鋼管重量界于鋼筋混凝土管和玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管之間。(2)強(qiáng)度大。普通鋼板壓制成一定波紋后，其強(qiáng)度和剛度有很大提高。如1997年上海浦東張橋鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)內(nèi)一條波紋鋼板通道實(shí)驗(yàn)。6㎜A3熱扎鋼板，經(jīng)壓波工藝制成波紋鋼板等，拼裝修成跨徑4．46米涵洞，經(jīng)同濟(jì)大學(xué)測(cè)試：該涵洞強(qiáng)度和剛度相稱(chēng)于32mm鋼板構(gòu)成圓形體。(3)施工便捷。在解決好施工管節(jié)接頭問(wèn)題基本上，拼裝式施工，使得施工速度快，質(zhì)量好控制，無(wú)需高檔專(zhuān)業(yè)技術(shù)施工人員，甚至無(wú)需大型機(jī)械設(shè)備。同步，產(chǎn)生建筑垃圾少，對(duì)周邊環(huán)境影響減少到最小限度。而玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管采用整體吊裝施工，對(duì)施工設(shè)備規(guī)定相對(duì)要高些。(4)技術(shù)開(kāi)發(fā)成本不高。開(kāi)發(fā)新型波紋鋼板無(wú)需復(fù)雜技術(shù)設(shè)計(jì)，就可進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，和玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管相比，技術(shù)開(kāi)發(fā)成本要低得多，適合當(dāng)前國(guó)情。(5)受力性能好。波紋鋼板構(gòu)造是一種柔性構(gòu)造物，不但具備一定抗震能力，并且能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，適應(yīng)較大沉降和變形。(6)美觀耐久。用波紋鋼板拼裝成小橋具備國(guó)內(nèi)雙曲拱橋相似優(yōu)美造型。(7)缺陷：一是耗用鋼材比混凝土多。因流水粗糙系數(shù)比混凝土管和玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管都大，同樣泄洪流量，用波紋鋼板為材料時(shí)，所需孔徑較大，耗用鋼材比混凝土多。二是易銹蝕。普通要對(duì)波紋鋼板和管節(jié)內(nèi)、外面以及緊固連接螺栓或鉚釘進(jìn)行鍍鋅或鍍鋁解決。雖然波紋鋼板橋涵有某些缺陷，但是在當(dāng)前技術(shù)條件下，完全是可以解決。波紋鋼板這種新型建筑材料和波紋鋼板橋涵這種新型構(gòu)造形式符合國(guó)內(nèi)對(duì)基本設(shè)施建設(shè)提出“高速、優(yōu)質(zhì)、低造價(jià)”規(guī)定，能帶動(dòng)其她產(chǎn)業(yè)一起發(fā)展，因而在國(guó)內(nèi)要盡快推廣應(yīng)用它們。1.2研究背景1.2.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀波紋鋼管是由波形鋼板制作而成。波形鋼板軋制始于1784年，當(dāng)時(shí)英國(guó)浮現(xiàn)了第一臺(tái)軋制波形鋼板專(zhuān)用設(shè)備。由于鋼板供應(yīng)局限性，波形鋼板未能及時(shí)得到推廣應(yīng)用。直到1890年之后，隨著鋼鐵工業(yè)發(fā)展，鋼板供應(yīng)有了保障，波形鋼板應(yīng)用迅速擴(kuò)大。1896年初次浮現(xiàn)了運(yùn)用波形鋼板卷制鋼管，并被用作涵管，美國(guó)率先進(jìn)行波紋板通道、涵管可行性研究。19，首條鋼質(zhì)波紋板涵洞應(yīng)用于英國(guó)蘇格蘭愛(ài)丁堡近郊農(nóng)田灌溉。1923年，美國(guó)鐵路工程協(xié)會(huì)在伊利諾斯州中央鐵路進(jìn)行鋼質(zhì)波紋板通道測(cè)試，證明了埋式構(gòu)造存在明顯土–鋼互相作用，一方面土體作為一種彈性層不斷對(duì)上部荷載均衡調(diào)節(jié)，在埋置深度足夠深后，土體會(huì)通過(guò)應(yīng)力環(huán)分散上部荷載，實(shí)測(cè)表白，對(duì)于回填土高度為35m圓管涵洞，鋼波紋管只承擔(dān)60％上部土壓力，而相鄰?fù)馏w承擔(dān)40％。1931年，澳大利亞一方面建成8米汽車(chē)通道。之后此項(xiàng)技術(shù)不斷得到應(yīng)用，到20世紀(jì)70年代中期，國(guó)際波紋鋼管聯(lián)合組織(NCSPA)僅在美國(guó)就有130多家波紋管制造廠，波紋鋼管被廣泛應(yīng)用于涵洞、排水管和其她排水系統(tǒng)中。隨著鋼材強(qiáng)度不斷發(fā)展、制造技術(shù)不斷改進(jìn)，相應(yīng)設(shè)計(jì)辦法也不斷創(chuàng)新，波紋板已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到道路工程橋涵構(gòu)造上，特別是1988年后，高強(qiáng)度、大波形波紋鋼板使用，使土–鋼橋梁構(gòu)造合用跨度不斷增大，國(guó)外已建成跨度24米土–鋼構(gòu)造橋梁在美國(guó)、加拿大、北歐等分布有近年凍土及沙漠國(guó)家，鋼波紋管涵洞已被廣泛應(yīng)用于公路工程，并制定出相應(yīng)設(shè)計(jì)、制造及施工安裝手冊(cè)，積累了較為成熟修建經(jīng)驗(yàn)，特別是在島狀近年凍土地區(qū)及高寒地區(qū)工程中，應(yīng)用鋼波紋管涵洞更顯其優(yōu)越性。由于鋼波紋管適應(yīng)性和優(yōu)越性，發(fā)展到當(dāng)前其不但僅應(yīng)用于涵洞，還可以廣泛應(yīng)用水利治理、小跨度橋梁等等許多方面。在韓國(guó)，鋼波紋管被廣泛應(yīng)用于涵洞、隧道、小橋涵建設(shè)中，建成工程實(shí)例已有多例。在美國(guó)，對(duì)于鋼波紋管設(shè)計(jì)、安裝都制定了相應(yīng)指引手冊(cè)。其中《鋼構(gòu)造排水和公路構(gòu)造手冊(cè)》中提到，被長(zhǎng)期以為具備重要構(gòu)造應(yīng)力鋼波紋管當(dāng)前理解為土體和管互相作用構(gòu)造。土體和鋼波紋管互相作用意味著柔性鋼管與周邊回填士共同承擔(dān)荷載。當(dāng)代研究表白，抱負(fù)地下構(gòu)造會(huì)轉(zhuǎn)移更多荷載到周邊土體上。鋼波紋管構(gòu)造可以接近這種抱負(fù)條件。二次世界大戰(zhàn)后來(lái)，引進(jìn)了被周邊土壓力支撐壓應(yīng)力環(huán)概念，這個(gè)基本概念與經(jīng)驗(yàn)互相兼容，并且提供了一條合理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則途徑。在1975年，加利福尼亞進(jìn)行了一項(xiàng)非常知名研究項(xiàng)目《D.B.涵洞》，該涵管直徑為10英尺(3.048m)厚度為0.109英寸(2.當(dāng)前，國(guó)外對(duì)較大跨度土．鋼橋梁構(gòu)造研究重要集中在改進(jìn)原有規(guī)范中合用于小跨度橋梁某些設(shè)計(jì)理念(如構(gòu)造形式、覆土厚度限制等)、采用工程辦法改進(jìn)波紋板上部覆土力學(xué)性能以及用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證構(gòu)造分析辦法上，此外，國(guó)外學(xué)者對(duì)波紋鋼板構(gòu)造動(dòng)力性能開(kāi)始關(guān)注，對(duì)高烈度區(qū)屬于埋藏式構(gòu)造土–鋼橋梁抗震問(wèn)題已著手研究。國(guó)內(nèi)最早使用波紋鋼管涵洞是在20世紀(jì)50年代青藏公路不凍泉段搶修工程中，到70年代時(shí)發(fā)現(xiàn)其使用狀況依然良好，具備較好耐久性，但由于國(guó)內(nèi)歷史和經(jīng)濟(jì)因素，后來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到進(jìn)一步應(yīng)用。從20世紀(jì)90年代末期開(kāi)始，隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)重新得到工程界注重，在青藏、內(nèi)蒙等地先后又修建了某些波紋管涵。公路部門(mén)率先在青藏公路近年凍土區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得成功。隨后在214國(guó)道上逐漸推廣應(yīng)用，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。交通部第一公路勘察設(shè)計(jì)院依照青藏公路第二期整治工程科研項(xiàng)目，1997年在近年凍土區(qū)修建了3座波紋管涵作為實(shí)驗(yàn)工程，進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)、施工工藝、力學(xué)分析等大量科學(xué)研究工作。實(shí)驗(yàn)管涵直徑1.5m，壁厚3mm，波高7cm，波距14cm。波紋管由工廠制造，分上下兩片，兩片間、節(jié)段間由螺栓聯(lián)結(jié)形成整體。進(jìn)出口分八字形和削頭形2種。波紋管涵為無(wú)基涵洞，基底材料為具備一定級(jí)配天然砂礫，實(shí)驗(yàn)涵基底采用砂礫換填，深度為管徑0.5倍—0.55倍，最大粒徑3座波紋管涵使用至今，效果良好，管底平順，未發(fā)現(xiàn)漏水現(xiàn)象，路基和涵洞基底也未發(fā)生變形，重要結(jié)論為：波紋管涵具備重量輕，運(yùn)送以便，施工簡(jiǎn)樸，施工工期短，變形性能好等長(zhǎng)處，施工波紋管涵應(yīng)嚴(yán)格控制涵底墊層質(zhì)量，特別是涵管兩側(cè)壓實(shí)。波紋管構(gòu)造形式和受力狀態(tài)有待進(jìn)一步研究，不同地區(qū)波紋管涵基本(墊層)深度設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步探討。青藏鐵路開(kāi)工建設(shè)，為解決青藏高原施工環(huán)境惡劣不利因素，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，借鑒公路部門(mén)成功經(jīng)驗(yàn)，選取了4座孔徑1.0～1.5m波紋管涵(位于非近年凍土地區(qū))開(kāi)展相應(yīng)應(yīng)用研究，以期獲得關(guān)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為在鐵路上應(yīng)用可行性提供根據(jù)工程多用直徑1—2米圓管涵，當(dāng)前國(guó)內(nèi)拱形波紋鋼板構(gòu)造只有位于內(nèi)蒙跨度5.18m和位于湖北半徑3.金屬波紋板材料在國(guó)內(nèi)土木工程中應(yīng)用較為成熟是金屬波紋拱形屋架，相應(yīng)理論研究較為系統(tǒng)，已經(jīng)發(fā)布了有關(guān)技術(shù)原則；波紋鋼板用做腹板與混凝土組合成箱梁研究工作在國(guó)內(nèi)正在逐漸進(jìn)一步。但波紋鋼板拱橋受力機(jī)理復(fù)雜，當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)土–鋼橋梁構(gòu)造研究剛剛起步，因而，需要對(duì)土–鋼互相作用機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步分析，對(duì)土–鋼橋梁構(gòu)造構(gòu)造分析理論進(jìn)行系統(tǒng)研究，為該類(lèi)型橋梁在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用打下基本。1.2.2研究?jī)?nèi)容及辦法國(guó)外對(duì)波紋板橋涵展開(kāi)系統(tǒng)理論和應(yīng)用研究，美國(guó)、加拿大、韓國(guó)等許多國(guó)家制定了相應(yīng)設(shè)計(jì)和施工規(guī)范，并將該構(gòu)造作為老式小跨徑橋涵代替。覆土波紋鋼板橋涵設(shè)計(jì)很大限度上需要構(gòu)造動(dòng)力與穩(wěn)定分析理論支持，重點(diǎn)在于研究覆土波紋鋼板拱橋動(dòng)力及穩(wěn)定性能特性和規(guī)律。當(dāng)前對(duì)這種新型組合構(gòu)造動(dòng)力及穩(wěn)定力學(xué)模型建立還不成熟，本文目之一也在于依照實(shí)際工程設(shè)計(jì)來(lái)摸索如何建立精確有效力學(xué)模型。本文一方面探討實(shí)際構(gòu)造簡(jiǎn)化等效辦法，然后基于實(shí)際工程考慮土與構(gòu)造共同作用，依照成果分析實(shí)際構(gòu)造動(dòng)力與穩(wěn)定性能。建立了土體與波紋鋼板構(gòu)造體共同作用模型，充分考慮兩者共同作用，但是由于土體性質(zhì)難以把握和模仿，往往得出差別很大成果。本文以?xún)?nèi)蒙錫盟國(guó)道207桑根達(dá)來(lái)至寶昌段K199+480小橋建設(shè)工程為實(shí)體構(gòu)造原型進(jìn)行有限元模仿和數(shù)值計(jì)算，重要研究本工程有限元模仿分析辦法，有限元力學(xué)計(jì)算分析，不同有限元模型特點(diǎn)分析，依照計(jì)算成果總結(jié)該類(lèi)構(gòu)造動(dòng)力與穩(wěn)定特點(diǎn)和規(guī)律。第二章構(gòu)造簡(jiǎn)化2.1剛度等效波紋鋼板周期性波紋狀截面特性，使得在計(jì)算分析、建立模型等問(wèn)題上難度增大。如果能把波紋鋼板等效成平板，會(huì)在計(jì)算上帶來(lái)較大便利，通過(guò)等效簡(jiǎn)化之后，計(jì)算成果可以保證一定精確性。在本章節(jié)中，將波紋鋼板波紋形狀截面按照剛度等效簡(jiǎn)化成平板截面形式，建立簡(jiǎn)化二維平面應(yīng)變模型。引用理論分析成果和實(shí)驗(yàn)成果，驗(yàn)證等效簡(jiǎn)化辦法可行性。建立實(shí)際覆土波紋鋼板拱橋二維平面應(yīng)變模型，加載后計(jì)算理論成果。2.1.1截面特性計(jì)算辦法從國(guó)外規(guī)范中可以看出，波紋鋼板有固定規(guī)格，每種規(guī)格波紋鋼板可以在規(guī)范中查到截面特性數(shù)據(jù)，運(yùn)用這些數(shù)據(jù)可以以便計(jì)算分析、簡(jiǎn)化模型。國(guó)內(nèi)尚未形成有關(guān)規(guī)范，工程中所用到波紋鋼板沒(méi)有截面特性數(shù)據(jù)可查，因此需要計(jì)算工程中采用波紋鋼板截面特性，以便背面計(jì)算分析建立簡(jiǎn)化模型。在研究波紋板管涵構(gòu)造時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注是管涵環(huán)向彎矩位移等，因此簡(jiǎn)化模型采用環(huán)向抗彎剛度等效辦法。以美國(guó)ASTM規(guī)范中152×51mm規(guī)格波紋鋼板為例，探討截面特性計(jì)算辦法。美國(guó)ASTM規(guī)范中所提供數(shù)據(jù)如下表。表2-1截面性質(zhì)/152×51mm波紋板額定厚度mm設(shè)計(jì)厚度mm切線長(zhǎng)度mm角度截面面積mm2/mm轉(zhuǎn)動(dòng)慣量mm4/mm回轉(zhuǎn)半徑mm32.8447.87644.5313.5221057.2517.32743.8946.74844.8994.8281457.5617.37554.9545.58245.2866.1491867.1217.4256644.39645.6867.4162278.3117.4757743.23746.0838.7122675.1117.524圖2-1波紋形狀尺寸圖周期性圖形，在一種波長(zhǎng)內(nèi)，可以通過(guò)曲線積分計(jì)算面積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，再折合成單位長(zhǎng)度內(nèi)面積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于一種波長(zhǎng)面積和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都是1/4波長(zhǎng)4倍，因此只需要計(jì)算1/4波長(zhǎng)曲線積分。在1/4波長(zhǎng)內(nèi)曲線方程單位長(zhǎng)度面積為單位長(zhǎng)度慣性矩為其中Δ為弧線角度一半，R為弧線半徑，a為直線段在X軸投影長(zhǎng)度一半，l0為l/4波長(zhǎng)，t為鋼板厚度。為了保證等效后計(jì)算成果精準(zhǔn)性，規(guī)定原波紋板具備如下性質(zhì)：(1)波紋間距與波紋板邊長(zhǎng)相比應(yīng)當(dāng)足夠小，即橫向波紋應(yīng)密布。(2)波紋板上波紋間距應(yīng)當(dāng)是相似，即波紋均布。(3)板等效材料參數(shù)(或者等效剛度)不隨邊界條件和外荷載狀況不同而變化。通過(guò)以上計(jì)算公式可以積分計(jì)算出規(guī)格為152×51mm波紋鋼板單位長(zhǎng)度截面積和單位長(zhǎng)度轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算成果和規(guī)范給定數(shù)據(jù)比較見(jiàn)下表。表2-2計(jì)算值與規(guī)范比較鋼板厚度截面積A（mm2/mm）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I（mm4/mm）計(jì)算值規(guī)范值計(jì)算誤差%計(jì)算值規(guī)范值計(jì)算誤差%33.5213.5220.0281056.7981057.250.04344.8274.8280.0211456.2131457.560.09256.1496.1490.0001864.2171867.120.15567.4617.4160.0002273.1732278.310.22578.7128.7120.0002667.2682675.110.293從計(jì)算成果可以看出，按照波紋形狀積分來(lái)計(jì)算截面特性，計(jì)算成果與規(guī)范提供值幾乎完全吻合，誤差極小，可見(jiàn)規(guī)范中截面特性數(shù)據(jù)是依照波紋板截面實(shí)際形狀積分計(jì)算而得。因此本工程中波紋板截面特性可以采用按照形狀積分辦法計(jì)算。2.1.2剛度等效辦法本文以?xún)?nèi)蒙錫盟國(guó)道207桑根達(dá)來(lái)至寶昌段K199+480小橋建設(shè)工程為實(shí)體構(gòu)造原型進(jìn)行有限元模仿和數(shù)值計(jì)算，一方面進(jìn)行剛度等效計(jì)算。工程中所用到波紋鋼板鋼材為鍍鋅Q235A鋼，屈服強(qiáng)度為235MPa，彈性模量E=2.06×105MPa，容許應(yīng)力為140MPa，波形為400×180mm，厚度t=7mm(鋼板厚度以鍍鋅之前圖2-2波紋形狀示意圖波紋形狀由圓弧曲線和直線組合而成，圓弧某些弧長(zhǎng)度168mm，直線某些長(zhǎng)度119mm，圓弧線半徑81mm，波長(zhǎng)400mm，波高180mm。國(guó)外規(guī)范中，可以查到每種型號(hào)波紋鋼板截面慣性矩、截面積、抗彎剛度等數(shù)據(jù)，由于國(guó)內(nèi)尚未形成相應(yīng)規(guī)范，而這項(xiàng)工程選用波紋板波紋形狀并不是國(guó)外規(guī)范規(guī)定型號(hào)尺寸，因此咱們需要計(jì)算所用波紋鋼板各項(xiàng)數(shù)據(jù)。圖2-3本工程中波紋板尺寸己知波紋鋼板形狀，通過(guò)計(jì)算得出波紋鋼板截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，就可以按照抗彎剛度等效原則，即EI相等，將波紋板等效成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I相似普通平板進(jìn)行分析。圖2-4截面等效示意圖在1/4波長(zhǎng)內(nèi)，即l0=400/4=100mm，波紋形狀函數(shù)為其中：圓弧某些角度△=59.4°半徑R=81mm圓弧起點(diǎn)至原點(diǎn)距離α=30.3mm波高H=180mm單位長(zhǎng)度面積為其中波紋鋼板厚度t=7mm。則單位長(zhǎng)度慣性矩為等效為平鋼板等效厚度為因而，按重量相等原則，平鋼板等效密度為其中：波紋鋼密度ρ=7850kg/m3V為單位寬度波紋鋼板體積為單位寬度等效平鋼板體積2.2回填土模型簡(jiǎn)化考慮到實(shí)際填土狀況和有限元分析建模繁簡(jiǎn)限度，計(jì)算中取11個(gè)回填階段。即在填土封頂之前5層，每次回填土壓實(shí)后高度為50cm，拱兩側(cè)同步回填；封頂之后6層按照每層壓實(shí)后30cm回填。因而，這11層回填土總高度為0.5×5+0.3×6=4.3m。圖2-5回填覆土分層示意圖依照國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究，按土體材料和壓實(shí)度不同，土體彈性模量范疇普通在30～80MPa之間，內(nèi)摩擦角在30°～40°之間。為了討論兩者對(duì)分析成果影響，固定內(nèi)摩擦角為30°，土體彈性模量為35MPa，分別變化另一參數(shù)取值范疇。構(gòu)造位移和內(nèi)力隨土參數(shù)變化如表所示。表2-3彈性模量變化分析彈性模量/MPa拱頂位移/mm最大彎矩/(kN·m/mm)最大軸力/(N/mm)30-0.6172968233.5540-0.6102747232.4050-0.6052560231.2760-0.6002398230.1770-0.5952256229.0980-0.5912131228.01通過(guò)度析可以發(fā)現(xiàn)：彈性模量越大，土體土拱效果越明顯，構(gòu)造內(nèi)力與位移越??；內(nèi)摩擦角變大后，構(gòu)造位移略有減小，最大彎矩變小，而最大軸力變大?？紤]到實(shí)際工程填料為砂性土，土體參數(shù)選為：彈性模量35MPa、內(nèi)摩擦角30°。第三章建立ANSYS模型3.1ANSYS簡(jiǎn)介ANSYS公司創(chuàng)立于1970年，總部位于美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡，是世界CAE行業(yè)中知名公司，其創(chuàng)始人JohnSwanson博士是匹茲堡大學(xué)力學(xué)系專(zhuān)家、是有限元界權(quán)威。通過(guò)40近年發(fā)展，ANSYS軟件從最初只能在大型機(jī)上使用。僅僅提供熱分析和線性構(gòu)造分析工程批解決程序，發(fā)展成一種融構(gòu)造、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)及操作系統(tǒng)中運(yùn)營(yíng)大型通用有限元分析軟件，在航天、機(jī)械制造、交通運(yùn)送、土木工程、國(guó)防工程、船舶、電子、生物醫(yī)學(xué)、核工業(yè)、水利、能源、石油化工等行業(yè)有廣泛應(yīng)用。ANSYS軟件能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和互換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I－DEAS，AutoCAD等，是當(dāng)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中高檔CAD工具之一。3.1.1ANSYS軟件提供分析類(lèi)型（1）構(gòu)造靜力分析用來(lái)求解外載荷引起位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)構(gòu)造影響并不明顯問(wèn)題。ANSYS程序中靜力分析不但可以進(jìn)行線性分析，并且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。（2）構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化載荷對(duì)構(gòu)造或部件影響。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性影響。ANSYS可進(jìn)行構(gòu)造動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型涉及：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。（3）構(gòu)造非線性分析構(gòu)造非線性導(dǎo)致構(gòu)造或部件響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，涉及材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。（4）動(dòng)力學(xué)分析ANSYS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)積累影響起重要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜構(gòu)造在空間中運(yùn)動(dòng)特性，并擬定構(gòu)造中由此產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變和變形。（5）熱分析程序可解決熱傳遞三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞三種類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。熱分析還具備可以模仿材料固化和熔解過(guò)程相變分析能力以及模仿熱與構(gòu)造應(yīng)力之間熱－構(gòu)造耦合分析能力。（6）電磁場(chǎng)分析重要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。（7）流體動(dòng)力學(xué)分析ANSYS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類(lèi)型可覺(jué)得瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)。分析成果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力和通過(guò)每個(gè)單元流率。并且可以運(yùn)用后解決功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布圖形顯示。此外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模仿構(gòu)造流體繞流并涉及對(duì)流換熱效應(yīng)。（8）聲場(chǎng)分析程序聲學(xué)功能用來(lái)研究在具有流體介質(zhì)中聲波傳播，或分析浸在流體中固體構(gòu)造動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)擬定音響話筒頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體阻尼效應(yīng)。（9）壓電分析用于分析二維或三維構(gòu)造對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化電流或機(jī)械載荷響應(yīng)。這種分析類(lèi)型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其他電子設(shè)備構(gòu)造動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類(lèi)型分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。軟件重要涉及三個(gè)某些：前解決模塊，分析計(jì)算模塊和后解決模塊。前解決模塊提供了一種強(qiáng)大實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，顧客可以以便地構(gòu)造有限元模型；3.1.2ANSYS前解決模塊重要有兩某些內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。（1）實(shí)體建模ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模辦法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，顧客定義一種模型最高檔圖元，如球、棱柱，稱(chēng)為基元，程序則自動(dòng)定義有關(guān)面、線及核心點(diǎn)。顧客運(yùn)用這些高檔圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維圓和矩形以及三維塊、球、錐和柱。無(wú)論使用自頂向下還是自底向上辦法建模，顧客均能使用布爾運(yùn)算來(lái)組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一種實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)立復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元布爾操作能減少相稱(chēng)可觀建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元功能。附加功能還涉及圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過(guò)拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格劃分硬點(diǎn)建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，顧客從最低檔圖元向上構(gòu)造模型，即：顧客一方面定義核心點(diǎn)，然后依次是有關(guān)線、面、體。（2）網(wǎng)格劃分ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量對(duì)CAD模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分功能。涉及四種網(wǎng)格劃分辦法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一種二維網(wǎng)格延伸成一種三維網(wǎng)格。映像網(wǎng)格劃分容許顧客將幾何模型分解成簡(jiǎn)樸幾某些，然后選取適當(dāng)單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。ANSYS程序自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大，可對(duì)復(fù)雜模型直接劃分，避免了顧客對(duì)各個(gè)某些分別劃分然后進(jìn)行組裝時(shí)各某些網(wǎng)格不匹配帶來(lái)麻煩。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具備邊界條件實(shí)體模型后來(lái)，顧客批示程序自動(dòng)地生成有限元網(wǎng)格，分析、預(yù)計(jì)網(wǎng)格離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小，再次分析計(jì)算、預(yù)計(jì)網(wǎng)格離散誤差，直至誤差低于顧客定義值或達(dá)到顧客定義求解次數(shù)。分析計(jì)算模塊涉及構(gòu)造分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)耦合分析，可模仿各種物理介質(zhì)互相作用，具備敏捷度分析及優(yōu)化分析能力；3.1.3ANSYS后解決模塊后解決模塊可將計(jì)算成果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到構(gòu)造內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算成果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上單元類(lèi)型，用來(lái)模仿工程中各種構(gòu)造和材料。該軟件有各種不同版本，可以運(yùn)營(yíng)在從個(gè)人機(jī)到大型機(jī)各種計(jì)算機(jī)設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。在ANSYS中，載荷涉及邊界條件和外部或內(nèi)部作用力函數(shù)，在不同分析領(lǐng)域中有不同表征，但基本上可以分為6大類(lèi)：自由度約束、力（集中載荷）、面載荷、體載荷、慣性載荷以及耦合場(chǎng)載荷。（1）自由度約束（DOFCinstraints）:將給定自由度用已知量表達(dá)。例如在構(gòu)造分析中約束是指位移和對(duì)稱(chēng)邊界條件，而在熱力學(xué)分析中則指是溫度和熱通量平行邊界條件。（2）力（集中載荷）（Force）：是指施加于模型節(jié)點(diǎn)上集中載荷或者施加于實(shí)體模型邊界上載荷。例如構(gòu)造分析中力和力矩，熱力分析中熱流速度，磁場(chǎng)分析中電流段。（3）面載荷（SurfaceLoad）:是指施加于某個(gè)面上分布載荷。例如構(gòu)造分析中壓力，熱力學(xué)分析中對(duì)流和熱通量。（4）體載荷（BodyLoad）:是指體積或場(chǎng)載荷。例如需要考慮重力，熱力分析中熱生成速度。（5）慣性載荷（InertiaLoads）:是指由物體慣性而引起載荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起慣性力。（5）耦合場(chǎng)載荷（Coupled-fieldLoads）:是一種特殊載荷，是考慮到一種分析成果，并將該成果作為此外一種分析載荷。例如將磁場(chǎng)分析中計(jì)算得到磁力作為構(gòu)造分析中力載荷。3.2有限元法簡(jiǎn)介在工程領(lǐng)域里，有許多問(wèn)題通過(guò)假設(shè)、簡(jiǎn)化，可以給出她們數(shù)學(xué)模型，將問(wèn)題歸結(jié)為求解在給定邊界條件或初始條件下基本方程（常微分方程或偏微分方程）。但由于普通總涉及復(fù)雜幾何形狀。載荷和材料特性等問(wèn)題，普通無(wú)法得到解析形式數(shù)學(xué)解答。因而需要依托數(shù)值辦法。有限元是其中最為有效地辦法之一。有限單元法用互相連接。叫做有限元小單元來(lái)模仿物體。每個(gè)互相連接單元通過(guò)單元間公共界面與其她單元連接。建立每一種有限單元方程，最后集合成一組聯(lián)立代數(shù)方程組，可得到整個(gè)物體解答。有限元法求解一種問(wèn)題是規(guī)定解聯(lián)立代數(shù)方程組，而不是解微分方程。求解得到這些數(shù)值解給出是持續(xù)體中各種離散點(diǎn)未知量近似值。有限元辦法在構(gòu)造計(jì)算中得到普遍應(yīng)用，特別在復(fù)雜構(gòu)造中應(yīng)用更加顯得重要，本文采用了有限元辦法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來(lái)對(duì)構(gòu)造進(jìn)行模仿，參照有關(guān)資料將有限元法基本過(guò)程總結(jié)為如下幾種環(huán)節(jié)：(1)構(gòu)造離散化：其工作就是將要分析構(gòu)造物分割為有限個(gè)單元體，并在單元體上指定節(jié)點(diǎn)，相鄰單元體通過(guò)節(jié)點(diǎn)互相連接起來(lái)構(gòu)成一種整體，同步使相鄰單元關(guān)于參數(shù)具備一定持續(xù)性。對(duì)實(shí)際構(gòu)造離散粗細(xì)限度對(duì)計(jì)算成果影響很大，單元?jiǎng)澐诌^(guò)粗則減少了計(jì)算精度，劃分太細(xì)時(shí)會(huì)耗費(fèi)太多計(jì)算時(shí)間，同步會(huì)因單元過(guò)細(xì)引起計(jì)算中數(shù)值近似而導(dǎo)致精度損失。因而合理單元?jiǎng)澐质鞘种匾?2)選取位移函數(shù)：在對(duì)構(gòu)造實(shí)行離散之后，即可對(duì)各類(lèi)單位進(jìn)行特性分析。為了能用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表達(dá)單元體位移、應(yīng)變和應(yīng)力，考慮到單元體持續(xù)性，必要對(duì)單元中位移分布做出一定假設(shè)，即假設(shè)位移是坐標(biāo)一種函數(shù)，稱(chēng)之位移模式、位移函數(shù)或插值函數(shù)。依照所選定位移模式就可以導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表達(dá)單元內(nèi)任一點(diǎn)位移關(guān)系式，其矩陣形式是：式中{f}表達(dá)單元內(nèi)任意一點(diǎn)位移列陣；{δ}e，表達(dá)單元節(jié)點(diǎn)位移列陣；[N]為形函數(shù)矩陣，標(biāo)函數(shù)。選取恰當(dāng)位移模式是有限元法分析中核心。普通選多項(xiàng)式作為位移模式，普通而言，其項(xiàng)數(shù)應(yīng)等于單元自由度數(shù)，其階次應(yīng)包括常數(shù)項(xiàng)和線性項(xiàng)，以保證單元之間持續(xù)性。在此，有限單元法體現(xiàn)出比典型近似法具備明顯優(yōu)越性。在典型近似法中如李茲法中，規(guī)定選用一種函數(shù)來(lái)近似描述整個(gè)求解區(qū)域中位移，同步還要滿(mǎn)足邊界條件；而在有限單元分析采用是分塊近似，只須對(duì)一種單元選取一種近似位移函數(shù)，保證單元之間位移持續(xù)性就行，不必考慮邊界條件。這樣分塊近似要比選用一種持續(xù)函數(shù)要簡(jiǎn)樸得多，特別是在具備復(fù)雜幾何形狀或材料特性、作用荷載有突變狀況，采用分段近似就更能體現(xiàn)其優(yōu)越性了。(3)分析單元力學(xué)特性：位移模式選定之后，就可以進(jìn)行單元力學(xué)特性分析?？上冗\(yùn)用幾何方程由位移表達(dá)式導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)位移表達(dá)單元應(yīng)變關(guān)系式：式中{ε}、[B]分別為單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)變列陣和單元應(yīng)變矩陣。然后在運(yùn)用本構(gòu)關(guān)系方程，由應(yīng)變表達(dá)式導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移表達(dá)單元應(yīng)力關(guān)系式：。式中{σ}、[D]分別表達(dá)單元內(nèi)任一點(diǎn)應(yīng)力列陣和與單元材料關(guān)于彈性矩陣。最后再運(yùn)用變分原理或最小勢(shì)能原理等，建立作用于單元上節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間關(guān)系式，即單元平衡方程：，式中[k]e。稱(chēng)為單元?jiǎng)偠染仃?，。同步，運(yùn)用變分原理還可以推導(dǎo)出單元等效節(jié)點(diǎn)力{F}e。(4)集結(jié)所有單元平衡方程，建立整個(gè)構(gòu)造平衡方程。其過(guò)程中涉及將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚰铣烧麄€(gè)構(gòu)造整體剛度矩陣，以及把各單元等效節(jié)點(diǎn)力集合成總荷載列陣。再運(yùn)用整體剛度矩陣[K]、荷載列陣[F]、質(zhì)量矩陣[M]以及整個(gè)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)位移列陣{δ}等表達(dá)整個(gè)構(gòu)造平衡方程。(5)求解過(guò)程：在得到平衡方程之后，應(yīng)對(duì)幾何邊界條件進(jìn)行解決，即對(duì)總體剛度矩陣和總體位移矩陣等進(jìn)行解決。然后再依照不同分析類(lèi)型、辦法采用不同汁算辦法作求解分析。3.3有限元模型建立有限元模型是考慮了土與構(gòu)造共同作用二維平面應(yīng)變模型，將構(gòu)造視為無(wú)限長(zhǎng)幾何體，忽視了拱涵構(gòu)造縱向影響。同步建立土體和構(gòu)造整體模型，考慮了兩者之間互相作用。由于土體彈性模量等參數(shù)難以擬定，不能保證土體模仿與實(shí)際相符。模型中把土體模仿為持續(xù)線彈性體，整體性過(guò)強(qiáng)，而實(shí)際土體為非線性散體構(gòu)造，會(huì)導(dǎo)致變形計(jì)算成果偏小。3.3.1建立整體效果模型一方面建立覆土波紋鋼板拱橋三維模型示意圖如下：圖3-1波紋鋼板模型圖3-2等效平鋼板模型圖3-3整體效果示意圖3.3.2建立簡(jiǎn)化分析模型由第二章中計(jì)算得到等效波紋鋼板數(shù)據(jù)：等效波紋鋼板厚度t=80.26mm，慣性矩I=39568mm4/mm，彈性模量2.06×105MPa，密度982.50kg/m3。土體單元彈性模量35MPa，泊松比0.2，設(shè)定ANSYS中參數(shù)采用國(guó)際制單位，將以上數(shù)據(jù)進(jìn)行單位變換。即：等效波紋鋼板厚度t=0.08026m,慣性矩I=3.9568×10-5m4/m，彈性模量2.06×1011Pa，密度982.50kg/m3，土體彈性模量3.5×107Pa，土體泊松比0.2，土體密度19000/9.8kg鑒于波紋鋼板周期特性，選用一種周期寬度（0.4m）波紋鋼板為研究對(duì)象進(jìn)行ANSYS參數(shù)計(jì)算。截面面積：0.08026×0.4=0.032104（㎡）慣性矩：3.9568×10-5×0.4=1.58272×10-5(m4/m）拱涵采用BEAM3二維梁?jiǎn)卧?，土體采用PLANE82二維實(shí)體單元。參數(shù)設(shè)立如下：圖3-4在PLANE82設(shè)立“Elementbehavior”如下圖。圖3-5圖3-6依照畢設(shè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)規(guī)定。覆土波紋鋼板拱橋跨徑L0=7.4m。矢高f0=2.5m，矢跨比f(wàn)0/L0=0.338。覆土回填總高度h=4.3m。建立一方面，建立核心點(diǎn)，共建立35個(gè)核心點(diǎn)，坐標(biāo)如下：表3-1模型核心點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)號(hào)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)點(diǎn)號(hào)X坐標(biāo)Y坐標(biāo)1-14.801914.82.82-3.702014.83.13-3.45720.52114.83.44-3.116712214.83.75-2.64121.52314.84.06-1.933422414.84.3702.525-14.84.381.9334226-14.84.092.64121.527-14.83.7103.1167128-14.83.4113.45720.529-14.83.1123.7030-14.82.81314.8031-14.82.51414.80.532-14.821514.8133-14.81.51614.81.534-14.811714.8235-14.80.51814.82.5核心點(diǎn)分布如下圖：圖3-7核心點(diǎn)分布圖將核心點(diǎn)連線，其中橋拱某些采用“ByEndKPs&Radius”命令創(chuàng)立弧線，半徑值為3.988m；別的某些采用“StraightLine”連線。其中弧線10條，直線40條。圖3-7線形圖通過(guò)“ByLines”命令創(chuàng)立面。共創(chuàng)立平面16個(gè)。圖3-8面形示意圖劃分單元，弧線某些定義為材料1屬性，線單元?jiǎng)澐?；平面某些定義為材料2屬性，平面單元?jiǎng)澐?。圖3-9網(wǎng)格劃分圖添加約束條件，在模型左右兩側(cè)添加X(jué)方向約束，在底部添加Y方向約束，鋼拱腳部添加X(jué)、Y方向約束。如下圖：圖3-10約束示意圖第四章計(jì)算分析4.1靜力驗(yàn)算在ANSYS分析類(lèi)型對(duì)話框中選取“Static”（如圖）這一項(xiàng)進(jìn)行構(gòu)造靜力分析，將不同施工階段拱頂位移和構(gòu)造內(nèi)力值進(jìn)行記錄，并繪制出曲線圖。圖4-1表4-1拱頂位移登記表層號(hào)合計(jì)厚度（m）拱頂位移（mm）00-0.058510.5-0.047149210.02703431.50.21876420.6203952.50.9640162.80.7667273.10.5863683.40.4077793.70.226621040.0445415114.3-0.013856圖4-2拱頂位移變化圖從拱頂位移可以看出，開(kāi)始裸拱時(shí)由于鋼板自重拱頂位移向下，隨著覆土深度增長(zhǎng)，拱頂逐漸向上突起，大概在覆土回填到拱頂平行時(shí)，拱頂位移開(kāi)始向回收縮，大概在回填完畢時(shí)，拱頂位移再次向下。表4-2橋拱內(nèi)力登記表層號(hào)深度（m）彎矩（N·m）軸力（N）剪力（N）00150169427210.51192239239213124150107131.510358389273042189015003413852.5225026186390462.8178437358280873.1145548615149783.4114460138125093.7832720361451104740840752931114.31233964814379圖4-3彎矩變化圖圖4-4軸力變化圖圖4-5剪力變化圖將以上靜力計(jì)算成果與實(shí)際工程計(jì)算成果對(duì)比，內(nèi)力值基本一致，證明ANSYS建立模型符合分析規(guī)定。從以上三幅內(nèi)力變化可以看出鋼拱彎矩和剪力變化趨勢(shì)有增有減，軸力則是一只增長(zhǎng)，軸力是拱橋橋拱重要受力形式，驗(yàn)證鋼拱軸向應(yīng)力值與否滿(mǎn)足規(guī)定。從第二層回填土開(kāi)始，由拱腳開(kāi)始浮現(xiàn)彎矩反號(hào)，拱腰由外側(cè)受拉變?yōu)閮?nèi)側(cè)受拉，拱頂由下側(cè)受拉變?yōu)樯洗问芾?。?dāng)回填到第九層時(shí)，拱腳彎矩再次變號(hào)，拱腰再次浮現(xiàn)外側(cè)受拉。最后彎矩最大值出當(dāng)前拱腰部位，因此拱腰部位是設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意。4.2動(dòng)力分析覆土波紋鋼板拱橋動(dòng)力性能分析是本次研究重要內(nèi)容之一，對(duì)這某些計(jì)算，選取ANSYS軟件中“Modal”分析，來(lái)求出構(gòu)造固有頻率、周期等數(shù)據(jù)。模態(tài)提取方式選取BlockLanczos（分塊蘭索斯）法，計(jì)算1-10階模態(tài)，提取前3階模態(tài)進(jìn)行分析研究。圖4-6圖4-7圖4-8從裸拱到覆土回填完畢共分為12個(gè)階段，每階段前3階振形分別為：第1階水平方向振動(dòng)，第2階垂直方向振動(dòng)，第3階水平和垂直雙方向振動(dòng)。詳細(xì)振動(dòng)模型如圖。（a）(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)(k)(l)圖4-8振型圖表4-3固有頻率登記表層號(hào)1階頻率2階頻率3階頻率016.12742.54282.96515.87665.93411.6625.4545.71510.70335.01815.50759.819444.56675.32158.958554.17095.23568.172864.00435.22277.808273.90055.21267.58683.83065.19327.409793.77655.16517.2348103.72125.1277.042113.66895.08856.8236圖4-9從曲線圖上可以看出，隨著覆土回填深度增長(zhǎng)，構(gòu)造質(zhì)量越來(lái)越大，構(gòu)造自身頻率呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，符合固有頻率規(guī)律。其中第1階和第3階頻率變化較為明顯，即有水平方向參加振動(dòng)頻率變化明顯，可見(jiàn)覆土回填對(duì)構(gòu)造水平方向作用較大。從裸拱到一層回填土，固有頻率變化很大，因素是：當(dāng)有回填土?xí)r拱腳轉(zhuǎn)動(dòng)被土約束，剛度變大使固有頻率增大，但是質(zhì)量變大使固有頻率變小。質(zhì)量變化幅度遠(yuǎn)不不大于剛度變化幅度，兩者總體上使固有頻率變小。4.3穩(wěn)定分析覆土波紋鋼板拱橋穩(wěn)定性能分析是本次研究此外一種重要內(nèi)容，對(duì)這某些計(jì)算，選取ANSYS軟件中“EigenBuckling”分析，來(lái)求極限屈曲臨界荷載。采用BlockLanczos（分塊蘭索斯）法提取特性值。圖4-10圖4-11圖4-12在求取屈曲臨界荷載時(shí)低階模態(tài)具備較大實(shí)際意義，屈曲臨界應(yīng)力大小等于特性值失穩(wěn)一階頻率和此時(shí)內(nèi)力產(chǎn)生應(yīng)力乘積。提取12個(gè)階段第1階模態(tài)，即為穩(wěn)定放大系數(shù)，然后提取梁?jiǎn)卧獜澢鷳?yīng)力值，得到數(shù)據(jù)文獻(xiàn)，找出核心點(diǎn)與相應(yīng)應(yīng)力值。記錄后繪制記錄圖。表4-4特性值屈曲分析登記表層號(hào)覆土厚度（m）放大系數(shù)應(yīng)力值（Pa）屈曲臨界值（Pa）001008.23.56E+093.59E+1210.51036.63.58E+093.71E+1221778.622.88E+082.25E+1131.5515.136.84E+083.52E+1142345.293.11E+091.07E+1252.5224.863.04E+096.84E+1162.8171.773.10E+095.32E+1173.1143.393.62E+095.19E+1183.4124.774.23E+095.28E+1193.7110.874.80E+095.32E+1110499.4955.13E+095.10E+11114.390.1775.43E+094.90E+11圖4-13圖4-14通過(guò)數(shù)據(jù)記錄分析后，可以看出，隨著回填深度增長(zhǎng)穩(wěn)定放大系數(shù)呈減小趨勢(shì)，并且減小趨勢(shì)越來(lái)越緩慢：屈曲臨界應(yīng)力在開(kāi)始回填土?xí)r迅速減少，回填第三層時(shí)開(kāi)始上升，在第五層再次減少，隨后逐漸穩(wěn)定下來(lái)，可見(jiàn)在覆土沒(méi)有回填到拱頂時(shí)，屈曲臨界應(yīng)力變化時(shí)比較大。在施工時(shí)應(yīng)當(dāng)特別注意。4.4對(duì)比分析選取不同覆土回填方式、不同拱腳連接方式、不同波紋鋼板厚度建立模型進(jìn)行計(jì)算，并與前面模型作對(duì)比。三種不同類(lèi)型為：不等高回填；拱腳固結(jié)；4mm厚波紋鋼板。4.4.1不等高回填第5層回填時(shí)假定單面回填，即只回填橋拱一種側(cè)面，示意圖如下：圖4-15表4-5不等高回填對(duì)比登記表回填狀況等高回填第4層不等高回填等高回填第5層最大位移（mm）1.0681.7041.663最大彎矩（N·m）189024952250最大軸力（N）150032545426186最大剪力（N）413854513904動(dòng)力特性1階固有頻率4.56674.33864.17092階固有頻率5.31255.29545.23563階固有頻率8.95858.47248.1728穩(wěn)定特性放大系數(shù)345.29263.66224.86應(yīng)力值（Pa）3.11E+094.38E+093.04E+09屈曲臨界值（Pa）1.07E+121.16E+126.84E+11從數(shù)值對(duì)比表中可以看出：1.最大位移、最大彎矩、最大剪力、屈曲臨界荷載比等高回填時(shí)大。2.其她各項(xiàng)數(shù)值變化不明顯。由此可以得到結(jié)論不等高回填時(shí)橋拱彎矩、剪力增大，使得承載力下降，不利于施工建設(shè)。4.4.2固定支座覆土回填到拱頂時(shí)，將拱腳設(shè)立成固定支座，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，與固定鉸支座成果進(jìn)行對(duì)比，各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下表：表4-6不同支座對(duì)比登記表支座類(lèi)型固定支座固定鉸支座最大位移（mm）1.6491.663最大彎矩（N·m）36812250最大軸力（N）2588726186最大剪力（N）66073904動(dòng)力特性1階固有頻率4.96264.17092階固有頻率5.45675.23563階固有頻率9.00468.1728穩(wěn)定特性放大系數(shù)308.27224.86最小應(yīng)（Pa）2.98E+073.04E+09屈曲臨界值（Pa）9.19E+096.84E+11使用固定支座是，最大位移、最大軸力略微減小，別的各項(xiàng)變大。對(duì)于拱橋重要受力方式是軸向壓力，彎矩和剪力變大不利于施工建設(shè)。4.4.34mm厚波紋鋼板將波紋鋼板厚度設(shè)定為4mm，得到新ANSYS設(shè)定參數(shù)。截面面積：0.025896㎡慣性矩：9.044×10-6m4高度：0.06474m密度：695.76kg/m3別的參數(shù)不變，計(jì)算后與7mm厚波紋鋼板作對(duì)比，記錄成果如下：表4-7不同厚度波紋鋼板對(duì)比登記表波紋鋼板厚度（mm）4mm7mm最大位移（mm）1.6791.663最大彎矩（N·m）18772250最大軸力（N）2528526186最大剪力（N）36463904動(dòng)力特性1階固有頻率4.0154.17092階固有頻率5.0775.23563階固有頻率8.0468.1728穩(wěn)定特性放大系數(shù)203.26224.86應(yīng)力值（Pa）3.21E+093.04E+09屈曲臨界（Pa）6.52E+116.84E+11由于波紋鋼板厚度減小，自重減少，因此內(nèi)力較??；波紋鋼板變薄，使得柔性增大，拱橋變形增大，拱內(nèi)應(yīng)力值增大，屈曲臨界荷載減小。第五章結(jié)論與展望5.1結(jié)論通過(guò)本文所簡(jiǎn)介對(duì)理論計(jì)算、數(shù)值分析等研究，咱們可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。1.設(shè)計(jì)中所研究拱橋軸向長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，簡(jiǎn)化后二維平面模型計(jì)算成果與三維模型較為接近，但是二維有限元模型計(jì)算成果體現(xiàn)是拱涵軸向覆土均勻地方，不能反映洞口狀況。在計(jì)算時(shí)有限元模型考慮了土體與構(gòu)造互相作用，不考慮土體與構(gòu)造摩擦，將土體完全視為線彈性體，這種模型有一定缺陷，第一，沒(méi)有土體參數(shù)根據(jù)，不能較好模仿真實(shí)土體性質(zhì)，而土體彈性模量等各項(xiàng)參數(shù)對(duì)計(jì)算構(gòu)造影響很大；第二、將土體假設(shè)為線彈性體，高估了土體整體性，計(jì)算成果遠(yuǎn)不大于將土體簡(jiǎn)化為