大直径钢波纹管涵有限元计算分析

通过对3种不同直径及不同壁厚的钢波纹管涵对应不同的填土高度进行有限元计算,得出钢波纹管涵最大等效应力、最大竖向变形随填土高度的变化情况,分析了钢波纹管涵及周边土体的等效应力分布规律。     

高填方段大孔径波纹管涵结构受力性能试验研究

基于原位观测试验,通过对不同填土高度的管涵荷载及变形、管涵及涵周土体应力分布的全程量测,对不同填土高度下大孔径波纹管涵的力学性能进行了深入分析。结果表明,管顶始终处于压应力状态,从管顶向下至90度范围截面承载逐渐转为拉应力,而从90度截面至管底,波谷截面主要承受拉力,并至管底达到最大值,而波峰截面则由拉应力向压应力转变,至管底为压应力状态。波纹管涵应力及变形均随着填土高度逐渐增长,但其增速逐渐变缓,并最终趋于稳定,其大小均满足波纹管涵的使用要求。而涵顶与涵底土压力测试数据表明,波纹管涵土压力值与规范方法计算值存在较大差异,且差异随填土高度的增加进一步加大,表明高填方段的管涵土压力计算应进行适当折减。     

沟埋式公路钢波纹管涵力学性能分析与测试

为了对钢波纹管涵的力学性能进行研究分析,通过现场测试和有限元分析研究了沟埋式公路钢波纹管涵的受力性能,并分析了地基弹性模量、填土高度、波纹管参数对钢波纹管涵变形和土压力的影响。结果表明:施工填土初期管涵先产生竖向拱起,回填至管顶后竖向变形开始减小;随着填土高度增加,土压力变大,且管顶土压力最大;有限元分析所得结果与现场试验数据相吻合,表明建立的有限元模型在精度上能够满足工程要求。     

高填方大跨双孔钢波纹管涵测试与分析

为了解双孔钢波纹管涵应用于高填方路基时径向土压力及变形特性,结合依托工程,通过现场试验,并精细化有限元建模方法对其进行分析。结果表明,双孔2-φ5.5 m钢波纹管涵,变形与径向土压力随着填土高度的增加而增大,填土高度达到管顶24 m尚未出现明显土拱效应;径向土压力沿管周分布呈椭圆形,采用双孔管涵,结构受力与单管涵基本相同,最大径向土压力出现位置不同,位于管斜下方45°位置;有限元分析与试验结果相吻合,表明有限元分析模型精度满足工程要求。最后,将公路桥涵规范中土压力计算结果与有限元、测试结果进行对比,规范计算得到的最大土压力偏大,最小土压力偏小。     

高填方钢波纹管涵变形计算及涵土相对刚度系数研究

为了获得高填方下钢波纹管涵变形的定量计算方法,并拟得到判定钢波纹管涵刚柔性的计算方法。在考虑钢波纹管涵受压变形与涵侧土体压缩变形相互影响的基础上,对涵土相对刚度问题进行了深入探讨。在考虑钢波纹管涵截面参数惯性矩特性的基础上,从分析规范中涵土相对刚度系数的计算方法入手,假设涵顶平面内外所受填土压力水平分布相同,涵侧填土对管涵横向变形产生一定的弹性抗力,引入了Spangler的涵土相互作用模型,推导了钢波纹管涵的变形计算公式和涵土相对刚度系数计算公式,同时,在考虑涵侧土体压缩变形模量线性增加的基础上,代入相关参数,将计算结果与现场试验结果进行比较,结果表明:钢波纹管涵洞随填土压力变化时,其变形计算值曲线规律与试验实测收敛值基本一致;应用推导的涵土相对刚度系数理论公式计算结果,可近似地判定管涵的刚柔性,通过理论计算,将本工点所用管涵判定为柔性涵洞,这也被试验测试得到涵顶垂直土压力系数小于1.0的结果间接验证,因此这既是对规范公式存在不足的补充,又为钢波纹管涵刚柔性的判定提供了新方法;通过涵土相对刚度系数公式的变换,得到涵顶平面内外土柱沉降差±δ与涵土相对刚度系数αs在本质上是相通的,故亦可用±δ判定涵土的相对刚度,这为判定涵洞刚柔性又提供了一种可行的方法。     

高填土大跨波纹钢管涵有限元力学性能分析

结合依托工程,对高填土大跨波纹钢管涵采用有限元进行力学性能分析,并讨论了不对称填土、地基不均匀沉降等不利因素对波纹钢管涵应力和变形的影响。结果显示,波纹钢管涵变形和应力随填土高度的加大不断上升,但上升趋势逐渐减小,土-拱效应明显;管涵的力学行为受不对称填土的影响较大,结构变形和应力受地基不均匀沉降的影响较小,波纹管涵结构两侧对称填土要求较高,但其适应高填方及地基变形的能力较强。     

钢波纹板-混凝土组合拱涵影响参数分析

为探究钢波纹板-混凝土组合拱涵的参数影响效应,以某组合拱涵为工程背景,基于控制变量法分别分析填土高度、管径、壁厚与不均匀沉降4个参数对拱涵应力及变形的影响规律。计算结果表明：拱涵变形及应力与填土高度h、管径R呈正相关,h<25 m时,两者随填土高度的增加线性增大,h>25 m时则变为曲线增大;R<4 m时,两者随管径的增加线性增大,R>4 m则变为曲线递增,且变化速率明显加快;壁厚T为2～6 m时两者呈线性增长趋势,T>6 m后,波纹管应力基本不变;水平不均匀沉降对拱涵应力影响明显,而增大管径能有效控制不均匀沉降形成的附加内力。     

高速黄土路基涵洞土压力分布特征研究

为探究高速黄土路基涵洞土压力分布特征,改进高填方涵洞结构设计,以山西省某拱涵为例,采用CANDE-2007有限元软件建立高填方涵洞数值分析模型,以涵洞设涵方式和填土高度为主要影响因素,揭示涵洞垂直土压力及沉降分布特征,分析不同填土高度下涵顶土压力系数变化,比较上埋式和沟埋式两种设涵方式涵洞涵顶土压力随填土高度变化特征,讨论设涵方式及土拱效应对涵洞应力的影响。在拱涵结构上部土体中布置土压力计,记录土体的实测土压力数据,并将数值模拟结果与实测数据结果相互验证。结果表明:涵洞中心与两侧土体的沉降明显不同,导致土拱效应的产生,是影响涵洞顶部垂直土应力变化的重要因素; 2种设涵方式涵洞涵顶土压力随填土高度变化均呈线性增长趋势;填土高度大于5 m后,随填土高度增加,上埋式涵洞土压力系数呈现先急剧增加再缓慢降低的变化趋势,涵顶伴随应力集中;而沟埋式涵洞土压力系数随高度增加逐渐降低后趋于稳定,其涵顶所受垂直土压力减小;沟埋式涵洞中心沉降值总是大于同等高度下上埋式涵洞的中心沉降;现场监测与数值模拟对比,实测土压力大于数值模拟结果,工程中涵顶应力集中现象更明显。     

考虑侧向变形的高路堤沉降计算探讨

针对高填方土体由于侧向无约束,在自身较大自重应力作用下,引起边坡产生较大侧向变形,从而导致路堤自身沉降增大等工程问题,首先基于一维分层总和法中引入压缩模量随填土应力变化的修正,使路堤沉降计算时能够考虑到不同土层压缩模量因填土荷载增加而变化的情况;其次针对高路堤填土变形的特性,提出了侧向变形影响的修正系数K表达式,使得高路堤沉降与路堤高度、边坡形式及填土特性建立了联系,建立了同时考虑路堤侧向变形及路堤模量随填土高度变化影响的高路堤自身最终沉降量简化计算模型,并将模型计算结果与现场实测、模型试验及有限元计算结果进行了对比,验证了计算方法的可靠性。     

基础形式对深埋双孔钢波纹管涵承载特性的影响

依托某高填方路基斜跨深切冲沟工程实例,针对不同基础形式的高填土双孔钢波纹管涵的承载特性,通过有限元数值模拟,选取基础圆心角及刚度进行正交对比,分析管涵的应力分布及变形规律。结果表明:双孔钢波纹管涵相互作用、彼此制约,延管涵竖向轴线两侧受力非对称,在靠近相邻管涵一侧应力及变形均小于另一侧。当基础刚度一定,随圆心角θ增大,基础包裹管涵的区域增大,约束作用增强,管涵变形随之减小,应力呈减小趋势且分布更为均匀,有利于管涵承载。当基础圆心角θ一定,刚度改变时,填土约束作用最小,管涵应力整体较大,变形最大,混凝土基础的约束作用最强,管涵变形最小,但易引起局部应力集中,约束作用居中的灰土基础,具有较好的变形协调作用,应力较小且集中现象不明显,管涵变形可控、可知,圆心角θ=180°的灰土基础是较为理想的基础选型。     

高路堤钢波纹管涵洞预拱度设置研究

为了确定高路堤钢波纹管涵洞预拱度设置的合理值,解决现有高路堤钢波纹管涵洞预拱度设置不合理而产生的路面不均匀沉降的难题。采用有限元数值模拟分析,得出不同填土高度、不同直径、不同路基边坡坡度与钢波纹管涵洞预拱度值的关系,给出高路堤钢波纹管涵洞预拱度设置方法及公式,并成功在万宜高速公路高路堤钢波纹管涵洞上应用,后期检测预拱度设置合理。通过研究取得以下结论:在预拱度设置时首要考虑的,也是影响预拱度设置最大的因素是填土高度,其次为钢波纹管的管径及涵底纵坡,波纹的变化对其影响较小。预拱度设置值随着填土高度的增加而增加,随着管径和涵底纵坡的增大而减小。     

高填路堤下圆管涵典型断面研究

对常用几何尺寸不同填土高度下的圆管涵采用数值模拟的方法进行了建模计算,得出了不同工况下圆管涵洞的受力性状。结合有限元应力云图及有限元计算结果对不同工况下圆管涵控制断面环向应力及控制设计的弯矩进行了分析,绘制了弯矩图。利用结构简化计算方法对有限元方法计算结果进行了验算比较,得出了高填路堤下圆管涵典型断面。计算结果表明:采用有限单元法计算、分析涵洞结构受力性状可以合理地反映出土体和结构的共同作用,因此计算结果比一般方法更接近实际。     

高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析

通过钢波纹管涵洞管周不同断面的应变值的有限元计算结果与现场实测结果进行对比,采用有限元模型,对不同填土高度在公路-Ⅰ级荷载作用下的钢波纹管涵洞受力变形进行分析。结果表明:管顶0°～管周45°的压应变逐渐增大,而管周150°～180°逐渐减小,管周45°～120°波动变化;波峰和波侧都在管周120°出现最大应变值,而波谷在管周90°出现最大应变值;管周90°、120°应作为重点位置观测。     

车辆荷载作用下多孔钢波纹板桥的稳定性分析

该文以泗洪至许昌高速公路淮北段钢波纹管拱桥为例,利用有限元软件Midas/Fea建立了该桥的实际波纹形状有限元实体模型,根据现有的稳定分析理论,采用线性屈曲分析方法分析了车辆荷载作用下该桥的稳定性及影响因素。结果表明:该多孔波纹板桥稳定性能较好;稳定系数有随填土高度增加先增大后减小的趋势,并随着跨径的增大而减小;低覆土厚度情况下,波形较大的钢波纹板桥稳定性能比小波形的钢波纹板桥好。     

大跨高填方钢波纹管涵质量控制措施分析

钢波纹管涵的最终受力状态不仅与管涵结构设计参数及回填土特性有关,施工措施对结构受力影响较大,为进一步确保结构安全性,采用有限元方法探讨了管内对拉钢索、管顶铺设EPS板对钢波纹管涵施工质量的控制效果。结果表明,管内对拉钢索能有效控制管涵变形,铺设EPS板后管顶土压力仅为管顶上方土体重量的46.85%,质量控制措施效果显著。     

涵顶形状对土压力的影响

采用有限元方法及模型试验对刚性地基上的上埋式涵洞进行施工模拟,分析方形涵洞和半圆形拱涵施工过程中填土沉降、等沉面及涵顶土压力的变化规律.结果表明:等沉面高度随填土高度的增大而减小,而且涵顶形状影响等沉面高度;涵顶形状不同,涵顶土压力分布和土压力系数变化很大.涵顶填土高度大于10倍涵洞高度时,方涵和半圆拱涵的等沉面高度分别趋近于3.1倍、2.7倍涵洞高度,涵顶土压力系数则分别为1.56、1.26.     

高填方路基钢波纹管涵洞管顶土压力分析

金属波纹管涵洞是采用波纹状管或由波纹状弧形板通过连接、拼装形成的一种涵洞形式,主要由钢、铝或塑料等材料制成。钢波纹管涵洞由于轴向波纹的存在使其具有优良的受力特征,轴向和径向同时分布因荷载引起的应力应变,可以更大程度上分散荷载的应力集中,更好地发挥钢结构的优势,故其具有广阔的应用前景。本文通过对高填方钢波纹管涵洞进行野外现场试验研究,随着施工中填土高度增加,分析了钢波纹管涵洞管外各点在有无土工格栅时所受力的大小及规律,为今后高填方路基中钢波纹管涵洞的施工提供参考资料。通过研究取得以下结论:钢波纹管各点所受土压力随着填土高度升高而增加;在填土高度一样时,与管顶水平的管外土压力大于管周各测点的土压力。     

不同断面线形波纹钢管涵结构力学性能研究

采用ANSYS有限元分析软件,建立二维平面应变有限元模型,选择等跨径圆形截面和管拱形截面管涵,对二者在不同填土高度下的力学性能特点进行了对比研究。首先通过有限元数值模拟值与试验模型实测值进行对比,验证了有限元模型的合理性;进而通过有限元模型计算,对圆形截面和管拱形截面管涵施工过程中随填土高度的增加管涵变形、应力和土压力的变化情况进行比较分析,得到了两种截面形式的管涵在变形和内力方面的一般性规律:两种截面形式的管涵在施工过程中的变形和内力变化趋势基本一致,管拱在填土超过管顶后的变形变化比圆管显著,竖直土压力略小,而由于起拱效应的影响,管顶以上填土1.1 m左右时,圆管截面最大应力略大于管拱截面最大应力。     

大直径波纹钢管涵与普通钢管涵力学性能对比研究

为揭示大直径金属波纹管涵与普通钢管涵受力性能的差异性,定量分析其力学性能,采用FLAC3D软件对跨径10.0m的两种管涵进行数值模拟,分别计算其在不同的填土高度下的力学参数并绘制关系曲线.研究发现:(1)对比"土柱法"和"加拿大CHBDC"中土压力计算方法可知,填土较低时(≤1.5m)土柱法较为适用,随着填土高度增加(＞1.5 m)涵洞通过形变获得被动土压力,从而将荷载转换为环向应力,则CHBDC法更适合涵洞的计算;(2)波纹钢管涵的最大沉降、最大横向位移、最大横向应力、最大竖向应力分别为普通钢管涵的79.37％、58.82％、73.52％、108.70％,除最大竖向应力相近外其余3项指标均明显偏小;(3)计算所得涵洞最大应力均远低于钢材屈服极限,因此在设计时应将沉降和横向位移作为主要控制因素.研究成果对高寒地区波纹钢管涵的应用具有一定的指导意义.     

湿陷性黄土地区公路钢波纹管涵洞的受力特征

为了推广钢波纹管涵洞在湿陷性黄土地区的应用,解决现有涵洞不均匀沉降问题,对钢波纹管涵洞施工过程中管周的受力特征进行研究。结果表明:钢波纹管内波峰、波谷、波侧填土初期应变值存在重新分布的现象;填土高度在管顶1.0~1.5 m时,管涵受力较为复杂,施工时应重点观测;波峰整体下半圆受拉,上半圆受压,而波侧与其相反;管外土压力随着填土高度增加而增加,且填土管顶增加1.5 m以内增长速度较快,后趋于平缓。