毕业设计(论文)-覆土波纹钢板拱桥动力及稳定性有限元研究.doc
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1、北京交通大学毕业设计(论文) i 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论1 1 1.1 引言1 1.2 研究背景4 1.2.1 国内外研究现状 .4 1.2.2 研究内容及方法 .6 第二章第二章 结构简化结构简化8 8 2.1 刚度等效8 2.1.1 截面特性计算方法 .8 2.1.2 刚度等效方法 10 2.2 回填土模型简化.12 第三章第三章 建立建立 ANSYSANSYS 模型模型1414 3.1 ANSYS 简介 .14 3.1.1 ANSYS 软件提供的分析类型.14 3.1.3 ANSYS 的后处理模块.16 3.2 有限元法简介.17 3.3 有限元模型建立.18 3.3.1 建
2、立整体效果模型 19 3.3.2 建立简化分析模型 19 第四章第四章 计算分析计算分析2424 4.1 静力验算.24 4.2 动力分析.27 4.3 稳定分析.32 4.4 对比分析.35 4.4.1 不等高回填 36 4.4.2 固定支座 37 4.4.3 4mm 厚波纹钢板.37 第五章第五章 结论与展望结论与展望3939 5.1 结论.39 5.2 展望.39 参考文献参考文献4141 北京交通大学毕业设计(论文) ii 摘要:摘要: 覆土波纹钢板结构已经成为了一种经济的能很好的替代传统的钢结 构和混凝土结构的替代品。大量的覆土波纹钢板结构遍布世界。我国对 这种桥梁的设计主要参考国外
3、规范。因此对该类型结构进行动力及稳定 性能分析在我国波纹钢板桥设计研究方面具有重要意义。 本文以内蒙覆土波纹钢板拱桥实际工程为例,通过波纹板的刚度等 效建立了的二维有限元模型,考虑土-钢结构共同作用,将施工各阶段的 动力及稳定性能进行分析,总结变化规律。探索失稳模态,找出失稳关 键阶段以及失稳点。做出不同覆土回填方式、不同拱脚连接方式、不同 厚度波纹钢板的对比,找出其中的差距,分析原因。 研究表明:简化模型可以满足工程精度要求;将土体简化为平面实 体的有限元模型可以考虑土与结构相互作用,但土的种类有多种,应进 一步研究土体材料参数选择和土与结构界面处理。 关键词:关键词:波纹钢 振动 稳定 土
4、-钢结构 北京交通大学毕业设计(论文) iii ABSTRACT:ABSTRACT: Buried corrugated steel arch bridges have been successfully used as a cheap alternative to the conventional steel or reinforced/pre-stressed concrete bridges. A considerable number of these structures are spread all over the word. This kind of bridge design
5、 method depends on foreign code in our country. But most of currently used procedures neglect or approximate the soilstructure interaction. Therefore, it is of great importance that the structure of the type of dynamic and stability analysis of corrugated steel bridge design in our research. In this
6、 study, the model of a Buried corrugated steel arch bridge being designed in Inner Mongolia are performed. Considering the soil-steel structure interaction, Will power the various stages of construction and stability analysis, summary of changes. Explore the instability modes, find out key stages to
7、 instability and instability point. Using the different soil backfill method, different connection of arch foot, different thickness of Corrugated steel plate, and making comparative analysis. Finding out the gap, analyzing the reasons The study shows that the results of equivalent stiffness model a
8、re accurate enough for design. However, there are a variety of soil types, should do more research on soil material parameter selection and processing of soil-structure interface. KEYWORDS:KEYWORDS: corrugated steel vibration stability soilstructure interaction 北京交通大学毕业设计(论文) iv 序 近年来,伴随着高等级公路建设里程的不
9、断增加和国民经济实力的 提高,一些新型结构、新工艺、新材料,正层出不穷地应用到公路建设 中。涵洞及小桥是公路和铁路工程中的重要组成部分之一,在工程造价 上,占有相当的比重。据统计:小桥涵工程数量约占桥涵总数的 7080,平原地区,每公里平均约有 13 道(座),山岭重丘地区,每 公里平均约有 46 道(座),小桥涵工程造价约占桥涵总额的 50以上。 目前的小桥涵绝大部分为圬工或混凝土结构,其缺点是施工工序繁琐、 周期长,而且在使用过程中经常出现混凝土板裂缝、基础下沉或裂缝等 病害,影响结构的正常使用。覆土波纹钢板小桥是一种比普通混凝土结 构有很大优越性的新型结构桥梁。用波纹钢板建设成拱,并在上
10、面覆土 形成道路的小桥涵叫覆土波纹钢板小桥。 尽管覆土波纹板结构桥梁相对经济而且便于施工,但它却难于用数 学模型精确分析,这正是人们不能很好理解其动力及稳定性能的主要原 因。我校和内蒙古交通设计研究院共同参与了西部交通科技项目波 纹钢板覆土小桥设计与力学分析。我校参与了内蒙锡盟国道 207 桑根达 来至宝昌段 K199+480 小桥的设计工作,并根据此工程的设计工作,探 索这种新型组合结构桥梁的动力及稳定性能。国际上对覆土波纹板小桥 的动力及稳定性能分析并不深入,我国对其研究则刚刚起步,对于此种 结构的设计往往依靠经验或者凭借直觉。尽管这种结构应用广泛,结构 设计却往往凭经验。这种新型的桥涵结
11、构在世界上尚无准确的计算分析 方法。 北京交通大学毕业设计(论文) 1 第一章 绪论 1.1 引言 从钢材工人 JHWaston 于 1886 年在美国申请波纹钢管的专利算 起,波纹钢这种结构在世界上已有 100 多年的历史了。尽管 Watson 生前 极力地推广这种新型结构,但是直到他去世时,这种结构的使用效果仍 不明朗,因而未得到业界的广泛认可。1892 年,W.Q.ONeill 买断了波 纹钢的专利并建立了第一家专门生产道路的商业波纹钢管的工厂,从此, 波纹钢管产品开始在全世界得到大量使用。 1896 年,美国交通部率先进行了波纹钢板的通道、涵洞的可行性研 究,并首先应用于公路涵洞。19
12、13 年,首条拼装式结构板波纹钢管涵洞 应用于英国兰爱丁堡近郊的农田灌溉,1923 年,美国铁路工程协会在伊 利诺斯州中央铁路进行的测试;1929 年加拿大首座波纹管应用于一煤矿 中;1931 年澳大利亚首次建成 8m 汽车通道一座;1979 年加拿大安大 略省公路桥梁设计规范(Ontario Highway Bridge Design Code), 1990 年日本高速公路设计规范制定了波纹管设计技术规范。韩国自 1997 年开始研究应用钢波纹管涵洞,经过吸收国外的设计与施工技术, 到 2004 在韩国相继修建了 700 余处波纹钢板涵洞。随着波纹管在世界各 地安装使用,证明此种结构物在各种
13、使用情况的通用性,而且其寿命已 超过了设计寿命。 在美国、加拿大等一些发达国家,波纹管涵已被广泛应用于公路工 程,并制定了相应的设计、制造及施工安装手册,积累了较为成熟的波 纹管涵的设计理论及修建经验。尤其是在加拿大、美国等分布有多年冻 土的国家,由于其良好的散热性能、较强的变形适应能力,更成为涵洞 与管道修筑的主要形式,已广泛的应用于道路工程。 我国于二十世纪 50 年代修建青藏公路不冻泉段时曾将波纹管涵应用 于抢修工程,到 70 年代开挖时发现其使用状况良好。19971999 年在 青藏公路的修筑中,多年冻土地段通过采用钢波纹管涵洞这种新型结构, 较好的解决了寒区因融沉与冻胀导致的结构破坏
14、。近几年来,青海、内 蒙、西藏、黑龙江等省市也开始在公路中使用钢波纹板管涵。 相较其它材料,波纹钢管具有明显的优势,具体表现在强重比,抗破坏 性,耐火性,耐腐蚀性,安装便利性,无需养护,对各种环境的适应性。 运用多层复合板技术,波纹钢管可以广泛地使用在各种尺寸与形状的结 构物中。在工厂中,特大的波纹钢被加工成结构板,再经过成形与镀漆。 便利的整捆分发方式,钢板很容易被接成一个整体结构。 (1)耐久性:波纹钢板具有很长的使用年限。 (2)全天候的安装施工:天气不是障碍,波纹钢板可以适应北极的冰 北京交通大学毕业设计(论文) 2 冷和沙漠的炎热。 (3)设计的多功能性:预制的检修孔,拱肩和零件都可
15、以拆开来水运, 结构质轻且易于控制。 (4)强度:大量的研究项目证实了土钢共同作用的概念,通过恰当 设计与安装弹性管系统,荷载被有效地传递到了土层。 (5)适应性:波纹钢板结构可很好地适应恶劣的土壤环境,在运输线 路、深埋结构、替代铁路高架桥上的一些应用仅仅是它应用的一个方面。 此外还有低费用、安装便捷、轻质等优点。 波纹钢板桥涵包括波纹板小桥和波纹钢管涵。用波纹钢板建设的小 桥叫波纹钢板小桥:波纹钢板卷制成管节,修建成的涵洞叫波纹钢管涵。 小桥通常是指单孔跨径为 520 米,多孔跨径总长为 830 米的桥涵; 涵洞通常是单孔跨径在 5 米以下,多孔跨径总长在 8 米以下的桥涵结构。 小桥和涵
16、洞作为在公路工程建设中常见重要的结构设施,在我国公路建 设中具有重要的作用。 结构工程师可以从规范中的截面形式一览表中选出对应于各功能要 求时最优的结构方案,这些功能满足了不同埋深、不同荷载(公路、铁路、 机场跑道)、不同应用功能(过水与通行)下的要求。本文所介绍的拱涵属 于开放式波纹管桥拱,其结构类型与功能列于下表: 表 1-1 波纹钢板小桥结构功能类型 结构名称结构形式 尺寸 (跨度 m矢高 m) 功能与应用 拱 1.817.63.8 净空较小,过水面较 大,形式优美,无损 天然河床的环境友好 型界面 低弧拱 6.12.313.75.7 涵洞,小桥,下水道, 净空较小,过水断面 较大,无损
17、天然河床 的环境友好型界面。 高弧拱 6.22.810.86.1 涵洞,小桥,小水管, 矢高较大,断面较大, 无损天然河床的环境 友好型界面。 北京交通大学毕业设计(论文) 3 梨形拱 7.07.19.37.7 铁路通道或其它要求 净空较大的情况。 箱涵 2.70.87.83.1 矢高较小,跨度较大 的涵洞,是小跨度桥 梁的较好替代。 应用波纹钢板小桥结构,可以发挥其优良的变形协调能力和良好的 抗疲劳性能。对预防和解决涵洞因融沉和冻胀而导致的破坏十分有效, 且具有施工简单、工期较短、运输方便等特点,尤其是钢波纹板桥涵对 地基扰动小,对土层的热扰动小,不渗水,有利于保持寒区水土,较混 凝土盖板涵
18、更适用于寒区公路。在不久的将来,随着对波纹钢板桥涵的 进一步研究与改进,此类结构必将成为寒区公路建设中的重要结构形式。 传统的钢筋混凝土和圬工砌体结构原材料价格比较低,一次性建设 成本比较低,适合当时的国民经济建设,几十年来在小桥和涵洞的建设 中占有主要的位置,但是其缺点是很明显的: (1)施工较繁琐,圬工工程量比较大,从开始施工到单幅通车所需工 期较长。 (2)涵洞一般为多管节组合体,管节间不存在强度联结,中间管节开 裂会沉降导致路面纵向开裂,影响公路使用;在寒冷地区,涵洞的一个 管节冻起或下沉会导致整座涵洞破坏。 (3)使用寿命短,易腐蚀,一般达不到五年使用期限。 (4)小桥造型不够美观,
19、比较笨重。 近年来出现的玻璃纤维增强塑料夹砂管和钢筋混凝土管相比,具有 很多优点如:质量轻、强度高、刚度大;输水性能良好;耐热、防冻、 抗藻性能好;耐磨性好;设计灵活,运输安装方便;使用寿命长、综合 经济效益好。在技术条件允许的情况下,能很好地代替钢筋混凝土和圬 工砌体结构。和上述两种材料建造的桥涵相比,波纹钢板桥涵具有如下 特点: (1)重量比较轻。相同管径的管涵,波纹钢管的重量界于钢筋混凝土 管和玻璃纤维增强塑料夹砂管之间。 (2)强度大。普通钢板压制成一定波纹后,其强度和刚度有很大提高。 如 1997 年上海浦东张桥镇工业区内一条波纹钢板通道试验。6A3 热扎 钢板,经压波工艺制成波纹钢
20、板等,拼装修成跨径 446 米涵洞,经同 济大学测试:该涵洞强度和刚度相当于 32mm 钢板组成的圆形体。 (3)施工便捷。在解决好施工管节接头问题的基础上,拼装式施工, 北京交通大学毕业设计(论文) 4 使得施工速度快,质量好控制,无需高级专业技术施工人员,甚至无需 大型机械设备。同时,产生建筑垃圾少,对周围环境影响降低到最小程 度。而玻璃纤维增强塑料夹砂管采用整体吊装施工,对施工设备要求相 对要高些。 (4)技术开发成本不高。开发新型波纹钢板无需复杂技术设计,就可 进行工厂化生产,和玻璃纤维增强塑料夹砂管相比,技术开发成本要低 得多,适合现在的国情。 (5)受力性能好。波纹钢板结构是一种柔
21、性结构物,不但具有一定的 抗震能力,而且能适应各种复杂地形,适应较大沉降和变形。 (6)美观耐久。用波纹钢板拼装成的小桥具有我国双曲拱桥相似的优 美造型。 (7)缺点:一是耗用钢材比混凝土多。因流水粗糙系数比混凝土管和 玻璃纤维增强塑料夹砂管都大,同样泄洪流量,用波纹钢板为材料时, 所需孔径较大,耗用钢材比混凝土多。二是易锈蚀。一般要对波纹钢板 和管节内、外面以及紧固连接螺栓或铆钉进行镀锌或镀铝处理。 虽然波纹钢板桥涵有一些缺点,但是在目前技术条件下,完全是可 以解决的。波纹钢板这种新型建筑材料和波纹钢板桥涵这种新型结构形 式符合我国对基础设施建设提出的“高速、优质、低造价”要求,能带 动其他
22、产业一起发展,因此在我国要尽快推广应用它们。 1.2 研究背景 1.2.1 国内外研究现状 波纹钢管是由波形钢板制作而成。波形钢板的轧制始于 1784 年,当 时英国出现了第一台轧制波形钢板的专用设备。由于钢板的供给不足, 波形钢板未能及时得到推广应用。直到 1890 年之后,随着钢铁工业的发 展,钢板的供应有了保障,波形钢板的应用迅速扩大。1896 年首次出现 了利用波形钢板卷制的钢管,并被用作涵管,美国率先进行波纹板通道、 涵管的可行性研究。1913 年,首条钢质波纹板涵洞应用于英国苏格兰爱 丁堡近郊的农田灌溉。1923 年,美国铁路工程协会在伊利诺斯州中央铁 路进行钢质波纹板通道的测试,
23、证明了埋式结构存在明显的土钢相互 作用,首先土体作为一个弹性层不断对上部荷载均衡调整,在埋置深度 足够深后,土体会通过应力环分散上部荷载,实测表明,对于回填土高 度为 35m 的圆管涵洞,钢波纹管只承担 60的上部土压力,而相邻的土 体承担 40。1931 年,澳大利亚首先建成 8 米的汽车通道。之后此项技 术不断得到应用,到 20 世纪 70 年代中期,国际波纹钢管联合组织 (NCSPA)仅在美国就有 130 多家波纹管制造厂,波纹钢管被广泛应用于涵 北京交通大学毕业设计(论文) 5 洞、排水管和其他排水系统中。随着钢材强度的不断发展、制造技术的 不断改进,相应的设计方法也不断创新,波纹板已
24、经被广泛应用到道路 工程的桥涵结构上,特别是 1988 年后,高强度、大波形波纹钢板的使用, 使土钢桥梁结构的适用跨度不断增大,国外已建成跨度 24 米的土钢 结构桥梁 在美国、加拿大、北欧等分布有多年冻土及沙漠的国家,钢波纹管 涵洞已被广泛应用于公路工程,并制定出相应的设计、制造及施工安装 手册,积累了较为成熟的修建经验,特别是在岛状多年冻土地区及高寒 地区的工程中,应用钢波纹管涵洞更显其优越性。 由于钢波纹管的适应性和优越性,发展到现在其不仅仅应用于涵洞, 还可以广泛的应用水利治理、小跨度桥梁等等许多方面。在韩国,钢波 纹管被广泛应用于涵洞、隧道、小桥涵的建设中,建成的工程实例已有 200
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