基于ANSYS的橋梁回填過(guò)程模擬及結(jié)果分析

摘要：覆土波紋鋼板小橋具有很多優(yōu)點(diǎn)，其中之一是有良好的適應(yīng)變形能力，需要注意的是，作為一種柔性拱形結(jié)構(gòu)，需要注意采用的回填增筑方案。根據(jù)現(xiàn)有資料可以明確，現(xiàn)代研究人員在進(jìn)行分析和研究的時(shí)候，是針對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)際工程進(jìn)行的，并分別對(duì)回填工程的橋涵結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力進(jìn)行測(cè)試，但是沒(méi)有對(duì)能夠影響回填施工結(jié)構(gòu)力學(xué)的因素進(jìn)行研究和分析。為了彌補(bǔ)這一空白，文章在結(jié)合實(shí)際工程的基礎(chǔ)上使用有限元軟件構(gòu)建模型，然后對(duì)多種不同的回填方案進(jìn)行計(jì)算，從而研究不同回填方案結(jié)構(gòu)內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)的影響，為其他研究人員研究相關(guān)內(nèi)容提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁;ANSYS;受力性能;回填施工

中圖分類號(hào)：TU753;U44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）08-0109-05

Simulation and Result Analysis of Bridge BackfillingProcess Based on ANSYS

CHENG Bin

（Xinjiang Railway Survey & Design Institute Co.Ltd..China Railway First Research Institute CJroup，LTrumqi Xinjiang 830011.China）

Abstract ： Buried corrugated steel bridge has many advantages，one of which has good adaptability to deformation.ltshould he noted that as a flexible arch structure.it is necessary to pay attention to the backfilling and expansionscheme.According to the available data.it is clear that modern researchers conduct analysis and research on experi-mental models and actual projects， and test the deformation and intemal forces of the bridge and culvert structureof the backfilling project，but there is no research and analysis on the factors that can affect the mechanics of thebackfill construction structure. In order to make up for this gap，this paper uses finite element software to huild themodel hased on the actual engineering， and then calculates a variety of different backfilling schemes to study theinfluence of internal force and structural deformation of different backfilling schemes on structural mechanics.Re-searchers provide relevant references for research.

Key words ： bndge;ANSYS;force performance;backfill construction

0引言

覆土波紋鋼板結(jié)構(gòu)橋涵具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染、成本投入較低、能夠應(yīng)用的范圍較廣、工程進(jìn)展較快等。因此，很多國(guó)家對(duì)其進(jìn)行分析和研究，目前已經(jīng)形成了比較成熟的施工技術(shù)和規(guī)范，從而取代了傳統(tǒng)建筑技術(shù)。[1]隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，中國(guó)在該領(lǐng)域?qū)Ω餐敛y鋼板結(jié)構(gòu)的分析和研究十分緊迫，但由于中國(guó)對(duì)該類結(jié)構(gòu)研究的時(shí)間相對(duì)較短，因此對(duì)受力特點(diǎn)等方面的研究還不夠深入，特別是對(duì)開(kāi)截面拱形結(jié)構(gòu)的研究。[2-5]所以對(duì)覆土波紋鋼板拱橋的土結(jié)作用規(guī)律和受力特點(diǎn)進(jìn)行分析和研究十分必要。

文章在進(jìn)行分析和研究時(shí)，是以實(shí)際工程為基礎(chǔ)進(jìn)行的，利用有限元軟件構(gòu)建相關(guān)模型，模擬多種回填方式，對(duì)施工時(shí)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析和研究，并對(duì)其變化特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，從而彌補(bǔ)中國(guó)研究?jī)?nèi)容的空白，也為其他相關(guān)內(nèi)容研究提供參考。

1有限元模型的建立

在進(jìn)行波紋鋼板拱橋的覆土施工時(shí)，如果從結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，其荷載并不是簡(jiǎn)單均勻分布的，由于和其結(jié)構(gòu)接觸較為緊密，因此會(huì)一起受到力的作用，也會(huì)一起發(fā)生形變，所以在進(jìn)行覆土施工的時(shí)候，需要對(duì)結(jié)構(gòu)和土體的影響作用進(jìn)行分析和研究。由于該問(wèn)題比較復(fù)雜，因此當(dāng)時(shí)沒(méi)有一個(gè)明確的解析手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷革新，開(kāi)始使用有限元數(shù)值分析對(duì)其進(jìn)行分析和研究，現(xiàn)在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的時(shí)候，有限元軟件已經(jīng)成為了必備工具。在利用有限元模型對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算的，選擇的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)是十分重要，不同的參數(shù)會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。[6]

1.1參數(shù)選擇

本文在對(duì)波紋板的截面特性進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，選擇使用的計(jì)算方法是積分方法，計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表1，選擇的回填土為砂性土，30°為內(nèi)摩擦角，30MPa為彈性模量;2.06x105MPa為材料的彈性模量。

1.2計(jì)算模型的建立

在進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析的時(shí)候，經(jīng)常使用的模型是平面模型，該模型有很多優(yōu)點(diǎn)，比如具有較快的運(yùn)行速度、可以簡(jiǎn)單的進(jìn)行建模等。對(duì)于本文研究的這種波紋鋼板橋涵結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，由于和結(jié)構(gòu)跨徑相比，軸向長(zhǎng)度要大很多，所以通常在構(gòu)建這種空間結(jié)構(gòu)的時(shí)候會(huì)采用圣維南原理進(jìn)行構(gòu)建，從而使構(gòu)建的模型能夠滿足平面應(yīng)變基本假定。該模型也同樣存在一些缺點(diǎn)，比如無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況加載活載形式、不能把真實(shí)波形引入其中等。

1.2.1選取單元

如果想要把模型簡(jiǎn)化，則需要以抗彎環(huán)向抗彎剛度相等原則為基礎(chǔ)，從而使一定波形的鋼板等效為平鋼板，本文在對(duì)實(shí)際鋼板受力情況進(jìn)行研究和分析的時(shí)候，選擇beam3二維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;上文已經(jīng)闡述，在覆土的時(shí)候需要考慮互結(jié)作用，因此在構(gòu)建模型的時(shí)候，需要讓兩側(cè)土體長(zhǎng)度滿足一定條件，即為跨徑的2.5倍[7]，在對(duì)土地進(jìn)行模擬的時(shí)候，選擇使用plane42二維實(shí)體單元進(jìn)行模擬。

1.2.2結(jié)構(gòu)和土體連接方式

根據(jù)相關(guān)研究資料可以明確，把結(jié)構(gòu)和土的接觸方式分為2種，一種是在土與結(jié)構(gòu)之間加入接觸單元，另一種則是節(jié)點(diǎn)耦合。第2種接觸方式是當(dāng)2個(gè)結(jié)構(gòu)互相接觸的時(shí)候，會(huì)存在一個(gè)公用節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該節(jié)點(diǎn)，可以讓2個(gè)結(jié)構(gòu)緊密相連，當(dāng)力傳遞的時(shí)候，也是通過(guò)這個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的。假設(shè)在回填工程中，結(jié)構(gòu)和土之間沒(méi)有存在滑移，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)和土體之間的相互作用進(jìn)行研究和分析，可以認(rèn)為2個(gè)結(jié)構(gòu)之間是通過(guò)第2種方式進(jìn)行接觸的。

1.2.3模擬施工

在回填土施工的時(shí)候，回填土不是一次性回填完畢的，而是1層1層回填的。因此用于研究和分析的模型也需要能夠模擬出分層回填的功能。在本文使用的有限元軟件中，如果想要模擬分層回填的功能，可以通過(guò)殺死/激活土體單元的方式實(shí)現(xiàn)。

1）殺死/激活土體單元，即二維實(shí)體單元plane42，讓該模擬土體單元處于不被激活的狀態(tài)，從而在計(jì)算的時(shí)候僅使用模擬拱的梁?jiǎn)卧?。在這種情況下，計(jì)算的結(jié)果是在沒(méi)有回填土的時(shí)候，拱在自重作用狀態(tài)下的結(jié)果。

2）讓第1層回填土單元被激活，從而讓模擬回填土的單元能夠進(jìn)行計(jì)算，然后繼續(xù)加載，在這種情況下，計(jì)算的結(jié)果是進(jìn)行第1層回填土之后的狀態(tài)結(jié)果。

3）讓第2層回填土單元被激活，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。不斷激活每一層回填土單元，直到所有層的回填土單元都被激活，并對(duì)每一層回填土之后的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

2回填過(guò)程模擬及結(jié)果分析

為了讓本文所述設(shè)計(jì)研究更加精細(xì)，本文選擇把回填土的過(guò)程進(jìn)行劃分，一共分為14個(gè)階段，不同回填土階段的填土高度詳見(jiàn)表2所示。通過(guò)使用構(gòu)建的模型，可以對(duì)回填土分層過(guò)程進(jìn)行模擬，使用的方法是生死單元法[8]，首先需要根據(jù)不同層回填土的狀態(tài)計(jì)算其應(yīng)力和位移，然后對(duì)不同層回填土的狀態(tài)進(jìn)行分析和比較，找出最不利階段之后，研究該階段對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響作用。

2.1對(duì)稱回填施工結(jié)果分析

在進(jìn)行對(duì)稱回填土工程的時(shí)候，不僅荷載是對(duì)稱的，結(jié)構(gòu)也是對(duì)稱的，因此在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，可以僅對(duì)半拱圈進(jìn)行計(jì)算，從而獲得不同階段回填土狀態(tài)產(chǎn)生的內(nèi)力和位移。文中在表1的基礎(chǔ)上選取了幾個(gè)施-階段，對(duì)從拱腳到拱頂?shù)墓叭较蚪^對(duì)位移進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果詳見(jiàn)圖1。

深入研究和分析圖1可以明確，在1/8跨徑結(jié)構(gòu)的時(shí)候，當(dāng)填土高度小于2.5m的時(shí)候，位移和填土高度呈正相關(guān)。當(dāng)填土高度繼續(xù)增加，到4.3m的時(shí)候，位移和填土高度呈負(fù)相關(guān);在拱頂結(jié)構(gòu)的時(shí)候，其位移變化和1/8跨相同，但是位移的方向不同，在增加填土高度的時(shí)候，產(chǎn)生的位移向上，即出現(xiàn)了反拱現(xiàn)象。圖2（a）所示的是當(dāng)填土高度為2.5m時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài);圖2（b）所示的是當(dāng)填土高度為4.3m時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。深入研究和分析圖2（b）可以明確，此時(shí)發(fā)生的變形趨勢(shì)是兩側(cè)拱腰并沒(méi)有向外凸出，拱頂則向內(nèi)凹。之所以產(chǎn)生這種情況，可能的原因是使用有限元軟件構(gòu)建模型的時(shí)候，軟件會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)和土體的作用、回填分布進(jìn)行考慮，從而使變形受到制約。在進(jìn)行回填土施工的時(shí)候，當(dāng)回填土高度為2.5m的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)最大位移，位移值約為0.9min。

彎矩和軸力共同產(chǎn)生了拱圈的應(yīng)力，則有公式：

（1）

在公式（1）中：波紋鋼板截面抵抗矩用符號(hào)W表示，單位為m3;拱圈彎矩用符號(hào)M表示，單位為kN·m;波紋鋼板橫截面面積用符號(hào)A表示，單位為m2;拱圈軸力用符號(hào)N表示，單位為kN。

把二者相減，并定義其為拱圈最小應(yīng)力（σmin），把二者相加，并定義其為拱圈最大應(yīng)力（σmax）。通過(guò)對(duì)σmin和σmax進(jìn)行分析和研究，可以對(duì)結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力變化進(jìn)行分析和研究。圖3（a）所示的是不同施工階段拱圈最大應(yīng)力，圖3（b）所示的是不同施工階段拱圈最小應(yīng)力。

深入研究和分析圖3（a）可以明確，在進(jìn)行回填土施工的時(shí)候，當(dāng)回填土高度為2.8m的時(shí)候，拱圈最大應(yīng)力符號(hào)不僅有代表壓應(yīng)力的負(fù)號(hào)，還存在代表拉應(yīng)力的正號(hào)。當(dāng)回填土狀態(tài)為拱頂和1/8跨徑的時(shí)候，拱圈出現(xiàn)最大應(yīng)力值，為正號(hào)，數(shù)值約為10MPa，對(duì)應(yīng)回填土高度最小為2.2m，最大為2.5m;當(dāng)回填土高度狀態(tài)為拱腳的時(shí)候，拱圈出現(xiàn)最大應(yīng)力值的最小值，對(duì)應(yīng)回填土高度為4.3m。在進(jìn)行施工的時(shí)候，結(jié)構(gòu)1/8跨徑最大應(yīng)力從拉應(yīng)力10MPa轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力-20MPa。對(duì)應(yīng)回填土高度為4.3m。

深入研究和分析圖3（b）可以明確，在進(jìn)行回填土施工的時(shí)候，拱圈最小應(yīng)力都是代表壓應(yīng)力的負(fù)號(hào)。當(dāng)回填土狀態(tài)為拱腳和1/8跨徑的時(shí)候，拱圈出現(xiàn)最小應(yīng)力值的最大值;在進(jìn)行回填土施工的時(shí)候，對(duì)應(yīng)回填土高度最小為0.4m，最大為2.8m的時(shí)候，最小應(yīng)力的最大值出現(xiàn)明顯變化，最大值的位置從拱腳向1/8跨徑處移動(dòng);對(duì)應(yīng)回填土高度最小為3.7m，最大為4.3m的時(shí)候，最大值的位置從1/8跨徑處向拱腳移動(dòng)。由此可以明確，在進(jìn)行回填土施工的時(shí)候，拱腳到1/8跨徑之間是最薄弱的部位。

結(jié)合以上最大應(yīng)力和最小應(yīng)力情況可以明確，當(dāng)回填土高度不大于2.8m的時(shí)候，拱圈截面同時(shí)存在兩種力。當(dāng)回填土狀態(tài)為1/8跨徑的時(shí)候，對(duì)應(yīng)回填土高度為2.5m的時(shí)候，截面的最小應(yīng)力約為-17MPa，最大應(yīng)力約為10MPa，二者之間的差值為27MPa。當(dāng)回填土高度不小于2.8m之后，拱圈截面僅存在一種力，即壓應(yīng)力。當(dāng)回填土狀態(tài)為1/8跨徑的時(shí)候，對(duì)應(yīng)回填土高度為4.3m的時(shí)候，截面的最小應(yīng)力約為-2lMPa，最大應(yīng)力約為-18MPa，二者之間的差值為3MPa。

通過(guò)以上論述能夠明確，在進(jìn)行回填土施工的時(shí)候，應(yīng)力變化較大的狀態(tài)是拱頂附近，如果結(jié)構(gòu)是混凝土結(jié)構(gòu)或者是圬工結(jié)構(gòu)，在此應(yīng)力下則容易出現(xiàn)開(kāi)裂，而采用波紋鋼板則可以在具有相同抗拉壓能力的同時(shí)更好的適應(yīng)這種應(yīng)力變化，從而避免出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。

2.2非對(duì)稱回填施工計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)對(duì)稱回填土施工進(jìn)行研究和分析可以明確，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大應(yīng)力和位移時(shí)，是回填土填到拱頂?shù)臅r(shí)候?，F(xiàn)在本文將對(duì)一種比較特殊的情況進(jìn)行研究和分析，即在拱頂?shù)幕靥钍欠菍?duì)稱回填，并對(duì)這種情況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變化進(jìn)行分析和研究。在進(jìn)行分析的時(shí)候，以回填土高度為2.2m和2.5m為基準(zhǔn)。在其一側(cè)的回填土高度增加40cm，另一側(cè)增加20cm.詳見(jiàn)圖4。

由于進(jìn)行回填土施工時(shí)采用的是非對(duì)稱回填，因此導(dǎo)致了荷載分布不是均勻的。所以不能取半個(gè)拱圈進(jìn)行研究和分析，而是需要對(duì)整個(gè)拱圈進(jìn)行分析。圖5（a）所示的是回填土高度為2.2m時(shí)產(chǎn)生的位移變化，圖5（b）所示的是回填土高度為2.5m時(shí)產(chǎn)生的位移變化，

深入研究和分析以上圖5可以明確，結(jié)構(gòu)位移受非對(duì)稱回填的影響很大。在回填土較高一側(cè)的1/8跨徑處，出現(xiàn)了位移最大值，詳見(jiàn)圖6。深入研究和分析圖6可以明確，和本文之前的計(jì)算結(jié)果相比，圖6的形變趨勢(shì)基本相同，也是在荷載小的一側(cè)有外凸的拱圈，在荷載大的一側(cè)有內(nèi)凹的拱圈。但是和本文之前的計(jì)算結(jié)果相比，還存在不同之處，其不同點(diǎn)在于有限元模型對(duì)結(jié)構(gòu)變形的約束。從而圖5 （a）和圖5（b）可以看出，在填土較低一側(cè)，結(jié)構(gòu)位移會(huì)持續(xù)性減小，在填土較高的一側(cè)，結(jié)構(gòu)位移會(huì)持續(xù)性增加;在填土較低一側(cè)，位移在拱腳到1/4跨徑間變化比較明顯，當(dāng)回填土高度為2.2m和回填土高度為2.2+0.4m的，其產(chǎn)生的位移之間的差約為3倍;當(dāng)不對(duì)稱性繼續(xù)增加的時(shí)候，會(huì)繼續(xù)增加不對(duì)稱回填土兩側(cè)的位移差值。

3結(jié)語(yǔ)

文章在進(jìn)行研究和分析的時(shí)候，采用有限元軟件進(jìn)行研究，分別對(duì)兩種回填土施工方式中結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論有：①對(duì)于結(jié)構(gòu)受力性能來(lái)說(shuō)，和對(duì)稱回填土施工方式相比，非對(duì)稱回填土施工對(duì)其影響較為明顯，在回填土較高一側(cè)，無(wú)論是應(yīng)力變化還是變形都比較明顯;②非對(duì)稱回填土較高一側(cè)的1/8跨徑處出現(xiàn)位移最大值，隨著土層的增加，較高一側(cè)出現(xiàn)的位移也隨之增加，較低一側(cè)的位移則隨之減小;③非對(duì)稱回填土較高一側(cè)的1/8跨徑和拱頂處出現(xiàn)應(yīng)力最大，和較低一側(cè)相比，較高一側(cè)的應(yīng)力變化比較明顯，其最大應(yīng)力有從較高一側(cè)向較低一側(cè)移動(dòng)的情況出現(xiàn)。

在對(duì)波紋鋼板拱進(jìn)行回填土的時(shí)候，回填初期拱頂容易出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，這是由于土體發(fā)生擠壓導(dǎo)致的，當(dāng)回填土至拱頂?shù)臅r(shí)候，會(huì)出現(xiàn)最大位移，此時(shí)雖然覆土波紋鋼板材料具有較強(qiáng)的變形適應(yīng)性，但是在進(jìn)行施工的時(shí)候，依然要對(duì)施工至拱頂和1/8跨徑處的變形進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，特別是拱頂處，由于此處是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位，因此比較容易因?yàn)閼?yīng)力作用發(fā)生變形。

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收稿日期：2020-01-08

作者簡(jiǎn)介：程彬（1980-），男，漢族，新疆烏魯木齊人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：橋梁。