【正文】 當(dāng)特別注意失穩(wěn)部位的加強。波紋鋼拱的兩側(cè)出現(xiàn)較大的彎矩。1. 設(shè)計中所研究的拱橋軸向長度足夠長，簡化后的二維平面模型計算結(jié)果與三維模型較為接近，但是二維有限元模型計算結(jié)果表現(xiàn)的是拱涵軸向覆土均勻的地方，不能反映洞口情況。截面面積：㎡慣性矩：10 6m4/m高度：密度：179。 固定支座覆土回填到拱頂時，將拱腳設(shè)置成固定支座，進行數(shù)值計算，與固定鉸支座的結(jié)果進行對比，各項數(shù)據(jù)如下表：表 46 不同支座對比統(tǒng)計表支座類型 固定支座 固定鉸支座最大位移（mm） 最大彎矩（N 不等高回填第 5 層回填時假定單面回填，即只回填橋拱的一個側(cè)面，示意圖如下：圖 415表 45 不等高回填對比統(tǒng)計表回填情況 等高回填第 4 層 不等高回填 等高回填第 5 層最大位移（mm） 最大彎矩（N表 44 特征值屈曲分析統(tǒng)計表層號 覆土厚度 （m） 放大系數(shù) 應(yīng)力值（Pa） 屈曲臨界值 （Pa）0 0 +09 +121 +09 +122 1 +08 +113 +08 +114 2 +09 +125 +09 +116 +09 +117 +09 +118 +09 +119 +09 +1110 4 +09 +1111 +09 +11北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）36放 大 系 數(shù) 變 化 圖0200400600800100012000 1 2 3 4 5回 填 深 度 （ m）放大系數(shù) 放 大 系 數(shù)圖 413屈 曲 臨 界 值 變 化 圖++00++12++12++12++120 1 2 3 4 5回 填 深 度 （ m）臨界應(yīng)力（Pa）屈 曲 臨 界 值圖 414通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后，可以看出，隨著回填深度的增加穩(wěn)定放大系數(shù)呈減小的趨勢，并且減小的趨勢越來越緩慢：屈曲臨界應(yīng)力在開始回填土?xí)r迅速降低，回填第三層時開始上升，在第五層再次降低，隨后逐漸穩(wěn)定下來，可見在覆土沒有回填到拱頂時，屈曲臨界應(yīng)力變化時比較大的。采用 Block Lanczos （分塊蘭索斯）法提取特征值。其中第1 階和第 3 階的頻率變化較為明顯，即有水平方向參與的振動頻率變化明顯，可見覆土回填對結(jié)構(gòu)水平方向的作用較大。模態(tài)提取方式選擇 Block Lanczos （分塊蘭索斯）法，計算 110階模態(tài)，提取前 3 階模態(tài)進行分析研究。從第二層回填土開始，由拱腳開始出現(xiàn)彎矩反號，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?。?42 橋拱內(nèi)力統(tǒng)計表 層號 深度（m） 彎矩（N圖 38 面形示意圖 劃分單元，弧線部分定義為材料 1 屬性，線單元劃分；平面部分定義為材料 2 屬性，平面單元劃分。 Radius”命令創(chuàng)建弧線，半徑值為 ；其余部分采用“Straight Line”連線。矢高f0=，矢跨比 f0/L0=。截面面積：=（㎡）慣性矩：10 5=105(m4/m）拱涵采用 BEAM3 二維梁單元，土體采用 PLANE82 二維實體單元。即：等效波紋鋼板厚度 t=,慣性矩 I=105m4/m，彈性模量 1011Pa，密度 179。模型中把土體模擬為連續(xù)線彈性體，整體性過強，而實際土體為非線性散體結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致變形計算結(jié)果偏小。然后再根據(jù)不同的分析類型、方法采用不同的汁算方法作求解分析。(4)集結(jié)所有的單元平衡方程，建立整個結(jié)構(gòu)的平衡方程。式中{σ}、[D]分別表????eBD???示單元內(nèi)任一點的應(yīng)力列陣和與單元材料有關(guān)的彈性矩陣。這樣的分塊近似要比選取一個連續(xù)函數(shù)要簡單得多，特別是在具有復(fù)雜幾何形狀或材料特性、作用荷載有突變的情況，采用分段近似就更能體現(xiàn)其優(yōu)越性了。選擇適當(dāng)?shù)奈灰颇Ｊ绞怯邢拊ǚ治鲋械年P(guān)鍵。因此合理的單元劃分是十分重要的。有限元法求解一個問題是要求解聯(lián)立代數(shù)方程組，而不是解微分方程。有限單元法用相互連接的。但由于一般總涉及復(fù)雜的幾何形狀。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的慣性力。例如結(jié)構(gòu)分析中的壓力，熱力學(xué)分析中的對流和熱通量。例如在結(jié)構(gòu)分析中約束是指位移和對稱邊界條件，而在熱力學(xué)分析中則指的是溫度和熱通量平行的邊界條件。軟件提供了 100 種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。映像網(wǎng)格劃分允許用戶將幾何模型分解成簡單的幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，生成映像網(wǎng)格。自底向上進行實體建模時，用戶從最低級的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS 程序提供了完整的布爾運算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。（1）實體建模北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）16ANSYS 程序提供了兩種實體建模方法：自頂向下與自底向上。這種分析類型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動態(tài)性能分析。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對流換熱效應(yīng)。還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機、變換器、磁體、加速器、電解槽及無損檢測裝置等的設(shè)計和分析領(lǐng)域。（5）熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射。（3）結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。僅僅提供熱分析和線性結(jié)構(gòu)分析工程的批處理程序，發(fā)展成一個融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)中運行的大型通用有限元分析軟件，在航天、機械制造、交通運輸、土木工程、國防工程、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)有廣泛的應(yīng)用。m/mm)最大軸力/(N/mm)30 2968 40 2747 50 2560 60 2398 70 2256 80 2131 通過分析可以發(fā)現(xiàn)：彈性模量越大，土體的土拱效果越顯著，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移越小；內(nèi)摩擦角變大后，結(jié)構(gòu)位移略有減小，最大彎矩變小，而最大軸力變大。為了討論二者對分析結(jié)果的影響，固定內(nèi)摩擦角為 30176。分層示意圖如下所示。則單位長度慣性矩為 /395681402220 ???xyltylI等效為平鋼板的等效厚度為 ???It因此，按重量相等原則，平鋼板等效密度為 30/?其中：波紋鋼的密度 ρ=7850 kg/m179。國外的規(guī)范中，可以查到每種型號的波紋鋼板的截面慣性矩、截面積、抗彎剛度等數(shù)據(jù)，由于我國還未形成相應(yīng)規(guī)范，而這項工程選用的波紋板波紋形狀并不是國外規(guī)范規(guī)定的型號尺寸，所以我們需要計算所用波紋鋼板的各項數(shù)據(jù)。 剛度等效方法本文以內(nèi)蒙錫盟國道 207 桑根達來至寶昌段 K199+480 小橋建設(shè)工程為實體結(jié)構(gòu)原型進行有限元模擬和數(shù)值計算，首先進行剛度等效計算。(3)板的等效材料參數(shù)(或者等效剛度)不隨邊界條件和外荷載狀況的不同而變化。由于一個波長的面積和轉(zhuǎn)動慣量都是 1/4 波長的 4 倍，所以只需要計算 1/4 波長的曲線積分。在研究波紋板管涵結(jié)構(gòu)時，重點關(guān)注的是管涵環(huán)向的彎矩位移等，所以簡化模型采用環(huán)向抗彎剛度等效的方法。引用理論分析結(jié)果和實驗結(jié)果，驗證等效簡化方法的可行性。本文以內(nèi)蒙錫盟國道 207 桑根達來至寶昌段 K199+480 小橋建設(shè)工程為實體結(jié)構(gòu)原型進行有限元模擬和數(shù)值計算，主要研究本工程的有限元模擬分析方法，有限元力學(xué)計算分析，不同有限元模型特點分析，根據(jù)計算結(jié)果總結(jié)該類結(jié)構(gòu)的動力與穩(wěn)定特點和規(guī)律。覆土波紋鋼板橋涵的設(shè)計很大程度上需要結(jié)構(gòu)動力與穩(wěn)北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）7定分析的理論支持，重點在于研究覆土波紋鋼板拱橋的動力及穩(wěn)定性能特性和規(guī)律。工程多用直徑 1—2 米的圓管涵，目前我國拱形波紋鋼板結(jié)構(gòu)只有位于內(nèi)蒙的跨度 和位于湖北的半徑 、斜跨 的兩座實體工程，基本是借鑒國外的相關(guān)規(guī)范修建，沒有進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析理論研究。波紋管涵為無基涵洞，基底材料為具有一定級配的天然砂礫，試驗涵基底采用砂礫換填，深度為管徑的 倍— 倍，最大粒徑 50mm，粉粘粒含量不超過3％，壓實度 90％～93％，管兩側(cè)填料與基底材料相同。交通部第一公路勘察設(shè)計院根據(jù)青藏公路第二期整治工程科研項目，1997 年在多年凍土區(qū)修建了 3 座波紋管涵作為試驗工程，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝、力學(xué)分析等大量的科學(xué)研究工作。國內(nèi)最早使用波紋鋼管涵洞的是在 20 世紀 50 年代青藏公路不凍泉段的搶修工程中，到 70 年代時發(fā)現(xiàn)其使用狀況仍然良好，具有很好的耐久性，但由于我國的歷史和經(jīng)濟原因，以后很長時間沒有得到進一步應(yīng)北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）6用。從試驗中所獲得數(shù)據(jù)為新設(shè)計方法的發(fā)展和確認做出了很大的貢獻。鋼波紋管結(jié)構(gòu)可以接近這種理想的條件。在美國，對于鋼波紋管的設(shè)計、安裝都制定了相應(yīng)的指導(dǎo)手冊。之后此項技術(shù)不斷得到應(yīng)用，到 20 世紀 70 年代中期，國際波紋鋼管聯(lián)合組織(NCSPA)僅在美國就有 130 多家波紋管制造廠，波紋鋼管被廣泛應(yīng)用于涵北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）5洞、排水管和其他排水系統(tǒng)中。1896 年首次出現(xiàn)了利用波形鋼板卷制的鋼管，并被用作涵管，美國率先進行波紋板通道、涵管的可行性研究。 研究背景 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀波紋鋼管是由波形鋼板制作而成。二是易銹蝕。(6)美觀耐久。(4)技術(shù)開發(fā)成本不高。(3)施工便捷。(2)強度大。近年來出現(xiàn)的玻璃纖維增強塑料夾砂管和鋼筋混凝土管相比，具有很多優(yōu)點如：質(zhì)量輕、強度高、剛度大；輸水性能良好；耐熱、防凍、抗藻性能好；耐磨性好；設(shè)計靈活，運輸安裝方便；使用壽命長、綜合經(jīng)濟效益好。傳統(tǒng)的鋼筋混凝土和圬工砌體結(jié)構(gòu)原材料價格比較低，一次性建設(shè)成本比較低，適合當(dāng)時的國民經(jīng)濟建設(shè)，幾十年來在小橋和涵洞的建設(shè)中占有主要的位置，但是其缺點是很明顯的：(1)施工較繁瑣，圬工工程量比較大，從開始施工到單幅通車所需工期較長。箱涵 —矢高較小，跨度較大的涵洞，是小跨度橋梁的較好替代。結(jié)構(gòu)工程師可以從規(guī)范中的截面形式一覽表中選出對應(yīng)于各功能要求時最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案，這些功能滿足了不同埋深、不同荷載(公路、鐵路、機場跑道)、不同應(yīng)用功能(過水與通行)下的要求。波紋鋼板橋涵包括波紋板小橋和波紋鋼管涵。(3)設(shè)計的多功能性：預(yù)制的檢修孔，拱肩和零件都可以拆開來水運，結(jié)構(gòu)質(zhì)輕且易于控制。在工廠中，特大的波紋鋼被加工成結(jié)構(gòu)板，再經(jīng)過成形與鍍漆。1997—1999 年在青藏公路的修筑中，多年凍土地段通過采用鋼波紋管涵洞這種新型結(jié)構(gòu)，較好的解決了寒區(qū)因融沉與凍脹導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。隨著波紋管在世界各地安裝使用，證明此種結(jié)構(gòu)物在各種使用情況的通用性，而且其壽命已超過了設(shè)計壽命。1892 年，’Neill 買斷了波紋鋼的專利并建立了第一家專門生產(chǎn)道路的商業(yè)波紋鋼管的工廠，從此，波紋鋼管產(chǎn)品開始在全世界得到大量使用。盡管這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，結(jié)構(gòu)設(shè)計卻往往憑經(jīng)驗。盡管覆土波紋板結(jié)構(gòu)橋梁相對經(jīng)濟而且便于施工，但它卻難于用數(shù)學(xué)模型精確分析，這正是人們不能很好理解其動力及穩(wěn)定性能的主要原因。據(jù)統(tǒng)計：小橋涵工程數(shù)量約占橋涵總數(shù)的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)，小橋涵工程造價約占橋涵總額的 50％以上。做出不同覆土回填方式、不同拱腳連接方式、不同厚度波紋鋼板的對比，找出其中的差距，分析原因。我國對這種橋梁的設(shè)計主要參考國外規(guī)范。大量的覆土波紋鋼板結(jié)構(gòu)遍布世界。探索失穩(wěn)模態(tài)，找出失穩(wěn)關(guān)鍵階段以及失穩(wěn)點。涵洞及小橋是公路和鐵路工程中的重要組成部分之一，在工程造價上，占有相當(dāng)?shù)谋戎?。用波紋鋼板建設(shè)成拱，并在上面覆土形成道路的小橋涵叫覆土波紋鋼板小橋。國際上對覆土波紋板小橋的動力及穩(wěn)定性能分析并不深入，我國對其研究則剛剛起步，對于此種結(jié)構(gòu)的設(shè)計往往依靠經(jīng)驗或者憑借直覺。盡管 Watson 生前極力地推廣這種新型結(jié)構(gòu)，但是直到他去世時，這種結(jié)構(gòu)的使用效果仍不明朗，因而未得到業(yè)界的廣泛認可。韓國自1997 年開始研究應(yīng)用鋼波紋管涵洞，經(jīng)過吸收國外的設(shè)計與施工技術(shù)，到 2022 在韓國相繼修建了 700 余處波紋鋼板涵洞。我國于二十世紀 50 年代修建青藏公路不凍泉段時曾將波紋管涵應(yīng)用于搶修工程，到 70 年代開挖時發(fā)現(xiàn)其使用狀況良好。運用多層復(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的結(jié)構(gòu)物中。(2)全天候的安裝施工：天氣不是障礙，波紋鋼板可以適應(yīng)北極的冰北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論