高填方涵洞结构型式优化设计研究

２０１１年第１０期　（总第２１２期）　黑龙江交通科技　

ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　Ｎｏ．１０，２０１１　

（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２１２）　

高填方涵洞结构型式优化设计研究　邓勇邦　（新疆公路规划勘察设计研究院）　

摘要：在分析优化设计三要素的基础上，针对高填方涵洞结构型式进行有限元计算数值分析，并提出涵土　共同作用结构优化设计方案。　关键词：高填方涵洞；结构型式；优化设计　中图分类号：Ｕ４４２　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１１）１０—０２２９—０１　

１优化设计要素　１．１设计变量　通常若干个数量描述一个结构设计方案，按照实际情　况，描述结构的数量有可能是构件的面积、截面尺寸或者惯　性矩等几何参数，也有可能是结构整体相关参数或者结构材　料相关参数等。通常优化设计变量个数越少，则结构优化过　程就越简单，反之则比较复杂。不过由另一方面来看，变量　个数越多、自由度越大，所得到的优化结果就越好。因此，设　计者在选择优化参数时要尽可能选择对其结果影响较大的　数量作设计变量，设计变量的数目选择也要科学、合理。　１．２价值函数　．　又被称为目标函数，是指评价一个设计方案优劣性的标　准。性能指标主要包括结构的重量、承载能力、工程造价以　及变形误差最小和自振周期最大。　１．３约束条件　在进行结构的优化设计时，约束条件是必须满足的条　件，其所反映的是设计相关的技术规范、计算规程以及施工　安装、运输和构造等各方面的具体要求，有时工程设计者的　设计意图也通过约束条件来反映。约束条件包括应力约束、　动力特性约束、稳定约束以及位移约束和以可靠性为前提的　结构优化。　２有限元计算数值分析　２．１有限元计算软件简述　本文进行有限元计算所采用的软件为Ａｎｓｙｓ，其是集流　体、声场、结构及电磁场与耦合场的分析为一体的通用有限　元分析软件，可以实现和大多数ＣＡＤ软件的数据共享及交　换。该软件标准分析过程共分为三个步骤：建立有限元分析　模型、施加荷载和边界条件并进行计算求解、提取和分析计　算结果。有限元模型的建立主要在前处理器中完成，而荷载　施加、边界条件以及计算求解则在求解器中完成，提取和分　析结果则在时间历程后处理器中实现。　２．２选择几何模型　如果几何模型的计算范围选择不当会直接导致计算结　果出现偏差，真实的受力变形就无法被真实的反映出来，浪　费了计算资源。考虑到地基土在填土之前存在初始地应力，　假设填土前地基水平，取１０　ｍ的地基土作为计算范围下边　界，且边界上竖直方向的位移为０；规范中规定了涵洞缺口　的范围，由于缺口外侧填土先于涵洞周围填土，因此形成了　人为的倒梯形边界条件。　３涵土共同作用的结构优化　３．１　涵土结构共同作用原理及数值分析　涵洞和其周围的填土、地基以及基础共同作用，构成一　

个结构体系，该结构体系变形与受力互相协调，彼些间互相　影响互相关联，我们称之为涵土结构。涵洞的涵身结构受到　土荷载作用会产生变形，但同时其变形又受到土层的约束，　周围的土体以抗力形式与涵身结构相互作用，从而涵身周围　的土应力受其作用结果的影响进行重新分布。所以假定抗　力和变形相适应，则可以利用涵身和土体变形的条件，将涵　洞结构内力直接推导出来。　３．２盖板涵的盖板铰结与刚结受力特性分析　（１）涵洞的受力特性。　在分析涵洞的受力特性时可以把施工过程分为未填土、　涵侧填土以及涵顶填土等几个阶段，而涵顶填土又可以分为　填土５　ｍ、１０　ｍ、１５　ｍ及２０　ｍ等四个阶段。利用有限元程序　软件中的后处理功能，将涵洞结构的内力提取出来，再把优　化理论引入其中，通过分析后，结构受力特性控制目标确定　为弯矩。　（２）结果分析。　①盖板分析。　盖板的铰结和刚结对盖板跨中和端部弯矩有着直接的影　响，所以结构受力特性的分析控制因素可以选择跨中和端部的　弯矩。在各施工阶段，只有在完成涵侧填土时．冈０结和铰结的跨　中弯矩比值较小，为２９．８５，其他过程均大于４ｏ％，所以由此可　见，盖板刚结可以使得盖板结构跨中弯矩明显降低。　②底板分析。　施工过程中盖板铰结与刚结时，底板的弯矩图形状比较　接近，可以将底板受力特性的控制因素确定为底板跨中弯矩　与端部弯矩。施工过程中盖板铰结涵洞结构底板跨中负弯　矩要小于盖板刚结，不过填土初期二者差距较小，填土高度　越高，则盖板刚结底板跨中负弯矩和铰结负弯矩的比值就越　大。盖板刚结时，底板端部的弯矩要小于盖板铰结时底板　端部的弯矩。　③涵身分析。　在施工过程中，涵洞结构中涵身的弯矩为：盖板铰结时，　涵身顶部并不存在弯矩，而涵身的底部则有正弯矩；当盖板　与涵身刚结时，涵身底部与顶部均有正弯矩。在进行分层填　土施工时，盖板与涵身铰结，涵身上部则有负弯矩存在，当盖　刚与涵身刚结，除了完成涵侧填土时涵身中部有负弯矩，其　他的阶段涵身均受到正弯矩的作用。由些可见，盖板刚结对　涵身的受力特性有所改善。　３．３底板为仰拱形式盖板铰结与刚结受力特性分析　（１）确定几何模型和计算参数。　（下转第２３１页）　

收稿日期：２０１１－０５—２７　作者简介：邓勇邦（１９８３一），男，四川人，助理工程师，研究方向：桥梁与隧道工程。　

・２２９・　第１Ｏ期　黄中磊，应明，王文忠，等：大跨度中承式拱桥施工有限元分析　总第２１２期　拉预应力。注意部分节点之间的连接方式。　④荷载的输入。此次模型共输入纵向预应力钢筋１２６　束，两种钢束形式。钢筋数量比较多，故插入点尽量做到一　致，输人钢束时要对称的输入。　⑤预应力筋结束后进行施工阶段的输入。注意各个阶　段的结构组，边界组和荷载组的激活与钝化，定义施工阶段　时要输入实际施工时间，合理的单元边界荷载能正确的反应　施工阶段能给结果带来正确的验算。对桥梁的施工作更加　合理的监控。　３．３数据及分析　（１）主梁截面位移比较。　预应力混凝土主梁在整个吊杆安装、张拉过程中，始终　未脱离支架，直至拆除主梁支架前，主梁一直处于连续弹性　支撑状态；实际测量边跨跨中截面、主跨１／４截面和跨中截　面等五个控制断面的竖向挠度。实际各控制断面的测量挠　度均小于计算值，表明结构实际刚度大于理论模型刚度，主　要是由于预应力混凝土主梁在浇筑过程中涨模引起截面偏　大，以及结构实际弹性模量大于理论Ｃ卯混凝土弹性模量两　大因素引起。　（２）拱肋位移数据比较。　对钢拱肋的拱顶截面和１／４拱肋截面（４　吊杆位置）在　吊杆安装、张拉过程中的竖向位移进行监测，监测结果如图　２所示。　图２拱肋截面理论值与实测值得比较　钢箱拱肋在吊杆张拉过程中的实测挠度与计算挠度吻　合的较好，除在７、８施工工况下，其余各施工工况实测挠度　与计算挠度的绝对偏差均小于０．３１　ｃｍ，相对偏差小于８．　８％满足规范要求值。　通过比较，主梁及拱肋的变形的理论值与实测值相近，　相对偏差都在规范要求内，拱肋计主梁的应力的比较不再赘　述。　４结论　（１）各施工阶段下实测主梁混凝土应变和拱肋钢材应　变与理论值接近并均处在合理范围内；实际结构在整个施工　过程中也未出现任何结构性裂缝。　（２）在整个吊杆安装、张拉过程中，拱肋的应变、位移和　主梁的应变和ｍｉｄａｓ的计算值均吻合得较为理想。　（３）主梁拆除支架过程中，主梁各控制断面的实测竖向　位移均小于计算值，说明实际结构仍有一定的刚度储备。　（４）由于混凝土主梁的涨模，以及调平层也比设计偏　厚，造成各吊杆最终的成桥索力略大于设计成桥索力，计算　表明不对吊杆承载力构成威胁，不影响正常施工。　

参考文献：　［１］　向中富．桥梁施工控制技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　２ｏｏ１．　［２］周世军．钢筋混凝土钢构式柔性系杆拱桥的施工与控制［Ｊ］．　

兰州理工大学学报，２００５，（１２）．　［３］韦建剐，陈宝春．钢管混凝土拱桥材料非线性分析方法［Ｊ］．福　州大学学报：自然科学版，２００４，（３）．　［４］陈宝春．钢管混凝土拱桥设计与施工［Ｍ］．北京：人民交通出　版社．　［５］孙维萍，刘俊．许俊．基于全实体单元模型的系杆拱桥的有限　元仿真分析［Ｊ］．结构工程师，２００７，（５）．　［６］郑怀颖，陈保春．飞鸟式钢管混凝土拱桥桥型分析［Ｊ］．公路交　通科技，２００７，（１）．　［７］盂凡中，弹塑性有限元变形理论和有限元方法［Ｍ］．北京：清　华大学出版社，１９８５．　［８］钟新谷，马平，曾庆元．多室箱形梁非线性有限元分析［Ｊ］．土　木工程学报，１９９９．　［９］丁皓江，何福保，谢贻权，等．弹性和塑性力学中的有限单元法　［Ｍ］．机械工业出版杜，１９８９．　

（上接第２２９页）　在隧道工程中，设置仰拱可以使隧道的结构形成一个闭　合的空间结构，从而隧道的承载力也有所提高。将仰拱应用　于涵洞结构中，在不改变盖板与涵身结构形式的前提下，改　变涵洞底板的形式。本文所采用的是矢跨比１／１０的圆弧，　采用有限元法模拟涵土共同作用和分层填土施工时涵洞结　构盖板铰结与刚结的受力特性。　（２）结果分析。　①盖板分析。。　仰拱形式的底板时，其盖板跨中和端部的弯矩受到盖板　铰结和刚结的影响比较大，所以其结构受力特性分析控制因　素可以确定为跨中和端部弯矩。在施工过程中，盖板刚结跨　中与铰结跨中弯矩的比值为２６．５１，其他各阶段的比值均为　４０或者以上，此时盖板端部的负弯矩会所盖板所承受的弯　矩向涵身传递，从而改善结构的受力特性。　②底板分析。　施工过程中盖板铰结与刚结时，底板弯矩比较接近，所　以可以确定底板跨中与端部的弯矩为底板结构受力特性的　控制因素。盖板与涵身铰结和刚结时对仰拱底板受力特性　在施工的各个阶段，盖板刚结涵身的底板跨中负变矩要大于　铰结时，并且填土的高度越高，盖板刚结跨中的负弯矩与铰　结负弯矩的比值则越大，且要大于底板为非仰拱形式的盖板　刚结和铰结的比值，由此可见，如果底板为仰拱形式，底板跨　中弯矩受到涵洞刚结的影响比较大。　③涵身分析。　盖板与涵身铰结时，涵身的顶部并不存在弯矩，其底部　有正弯矩作用；当盖板与涵身刚结时，涵身顶部与底部均受　到正弯矩的作用。在分层填土施工时，盖板与涵身铰结时，　涵身上部受到负弯矩的作用，盖板和涵身刚结时，除了完成　涵侧填土进其中部有负变矩作用，其他的施工阶段涵身均存　在正弯矩。由此可见，盖板刚结对于涵身受力特性有着明显　的改善。　４结论　通过对比分析可以得出结论如下：连接形式不同，整个　涵洞结构受其影响程度也不同，盖板和涵身刚结有利于涵洞　结构的受力；低板为仰拱形式以及非仰拱形式，涵洞结构受　力特性受到铰结与刚结两种连接情况的影响程度比较接近，　只是非仰拱形式盖板刚结对底板跨中弯矩的影响相对较小；　涵洞的结构采用仰拱形式对于改善其受力特性比较有利。　

参考文献：　［１］杨锡武．山区公路高填方涵洞土压力计算理论研究综述［Ｊ］．　重庆交通学院学报，２００５，（２４）：２１—２２．　［２］　杨锡武，张永兴．山区公路高填方涵洞的成拱效应及土压力计　算理论研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００５，（２４）：４５．　［３］周岳．山区高填方路堤涵洞结构运用探讨［Ｊ］．西部探矿工程，　２００５，（３）：９８．