波形钢板拱桥的应用与计算.docx

波形钢板拱桥的应用与计算徐日雄( 山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)摘 要: 覆土波形纹钢板拱桥结构能够很好的应用于公路桥梁，并在某些条件下替代传统的钢筋混凝土桥梁。本文以波形钢板拱桥实际工程为例，通过波纹板的刚度等效建立了二维有限元模型，考虑土 钢结构共同作用，介绍了波形 钢板拱桥的建模和计算过程，分析了这种桥梁形式的优缺点，为类似的工程提供参考。关键词: 波形钢; 拱桥;计算;应用中图分类号:文献标识码: bu44建模时将土与结构作为一个整体，建立二维有限元模型，二者共同受力，共同变形。由于波纹钢板截 面性状的特殊性，在计算分析、建立模型等问题上会 带来较大困难。故将波纹形状的钢板按刚度等效简化 成平板截面形式，建立简化的二维平面应变模型。在 一个波长内，可以通过曲线积分计算面积和转动惯 量，再折合成单位长度内的面积和转动惯量。经计工程概况1某山区高速公路跨越 u 形冲沟，原方案为 320m 预应力混凝土连续箱梁，造价约 450 万元，在满足设计流量的情况下优化为 12m 跨径的波形钢板拱 桥，造价 300 万元，节约资金约 150 万元，同时工期 大大缩短，取得了明显的经济和社会效益。a = 9. 011mm2 ， i =算， 本 桥 单 位 长 度 面 积22675mm2 。模型建立时，未采用接触单元，土与结构作为一个整体，在承受其自身重力的情况下，相互作用，共同受力， 共 同 变 形。 填 土 层 采 用ansys软 件 中 的drucker prager 屈服准则，材料为非线性。( 2)车辆荷载计算原理将车辆荷载转换为车轮作用处的两个集中力直接加载到二维有限元模型上。 如果实际作用的活载是很长的条带状面压力，那么活载的施加对于二维模型与三维模型就没什么不同 了，然而，一般的面压力并不是无限长的条带状，而 是一个轮胎印一样的有限块域压力。在这种情况下， 要进行二维有限元分析就需要做修正面压力的附加 计算。当块域压力荷载通过土体传播时，荷载 x y 和 y z 两个平面内向外扩散。与之不同，条状压力荷 载仅仅在 x y 平面内向外扩散。很明显，如果相同 的面荷载数值分配到块域和条带域，那么在板拱周 围，带状荷载将会比块域荷载引起更大的土压力。引入二维有限元分析中使用的将有限长压力块活 载等效为无限长条带状压力的方法基于弹性理论 的方法计算得本工程作用在二维平面上的车轮荷载大 小为 8. 066n。图 1工程概况图2结构尺寸与材料( 1)结构尺寸结构采用跨径为 12m 的波形钢板半圆拱，矢高6m，矢跨比 1 /2。( 2)材料波形钢板采用厚度为 7mm 的镀锌 q235a 钢板，屈 服 强 度 235mpa， 容 许 应 力mpa， 波 形 为140( 宽)( 高) 。400mm 150mm有限元模型与荷载计算方法3( 1)有限元模型建立2014 年 4 期( 总第 112 期) 225桥隧工程4荷载计算计算时，将土与结构作为一个整体，共同受力， 共同变形。按不同加载情况作用如表 1。表 1荷载情况最大轴力 / n最大剪力 / n最大 最大等效 最大位拱脚无位移图 2 拼接示意图的; 2、孔壁承压计算时，假定挤压力沿栓杆直径平 面均匀分布。弯矩 / n 应力 / mpa移 / mm恒载作用 948. 98 34. 834 16007 158. 239. 426恒载作用跨中加载 849. 68 23. 415 11581 132. 513. 73314. 091本工程 螺 栓 采 用高 强 螺 栓， 板 材 采 用 为m20 857. 54 23. 755 11769 133. 97q235，螺栓的性能等级为 10. 9 级。由于本工程钢板承压承载力的设计值小于螺栓受剪承载力的设计值， 所以连接板是由钢板被压坏的而导致破坏的，设计时 应以钢板的承压破坏为准。经计算得单位长度连接板 所受轴 力 的 最 大 值 为 859. 54kn / m， 小 于 其 设 计 值 987kn / m。3 /8 加载1 /4 加载1 /8 加载 拱脚加载 858. 96 23. 856 11812 133. 5114. 047拱脚有位移 859. 54 23. 896 11835 134. 4213. 945 859. 12 23. 882 11829 134. 3713. 842 857. 86 23. 816 11792 134. 1213. 768由于结构覆土厚度较大，车辆荷载的作用对结构影响不是很大。车辆荷载作用在四分之一跨时出现应 力的最大值，作用于跨中时出现位移的最大值。最大 等 效 应 力 为 134. 42mpa， 小 于 钢 板 的 容 许 应 力 140mpa，最大位移 14. 091mm，小于结构的最大容许 位移 120mm。结语近几年来 ，我国在波形钢板拱桥发展从 1999 年 上海市地铁四号线北段跨径 4m 的波形钢板拱桥开 始，2001 年的湖北荆州市区荆州区里李埠小桥跨径 为 5 m，2004 年内蒙古自治区波形钢板拱桥跨径为 10m，2007 年建设的广梧高速公路波形钢板拱桥跨径 为 10m，到本项目的跨径为 12m，发展迅速，效益 明显。7结构的稳定计算及连接5( 1)钢板的屈服验算依据 波纹钢板桥涵设计施工指南，钢板的屈曲临界应力计算如下:波形钢板拱桥具有以下优点:( 1 )波形钢板桥22t fmfy fy/12e( k / r) fb =同时具有刚性和柔性，具有一定的抗变形能力，能更根据本工程选择的钢板类型，钢板的屈曲临界应 力计算，得 fb = 166. 22mpa136. 64mpa。( 2) 钢板轴向压应力的计算依据 波纹钢板桥涵设计施工指南，钢板的轴 向压应力计算如下:好地适应复杂的地质情况:( 2 )施工周期短，速度快，采用标准化设计和生产，同时不受季节和环境影响;( 3)减少了常规建材的使用，具有环保的意义。同时波形钢板拱桥也有耗钢量大和易锈蚀的缺点，但由于其施工优势明显，适应当前国内基础设施建设的 要求，随着其更广泛的应用，将会越来越完善，取得 更快的发展。得 dtl ( 1) / atd+=16. 5mpal 166. 22mpa。6连接计算波纹钢板拱桥通过波纹板拼接而成，拼接示意图 如图 2 所示。参考文献:1吴章华，徐一鸣 广梧高速公路波形钢板拱桥的应用 公路，2010( 2) : 23 27李 祝 龙 公路钢波纹管涵洞设计与施工技术 人 民 交 通 出 版 社，2007尹航 覆土波纹钢板拱桥力学性能分析及设计方法研究 北京交 通大学硕士学位论文 2008 6刘保东，尹航，王元丰，王全录 基于土 钢共同作用模型的覆土波纹钢板拱桥施工过程受力分析 北京交通大学学报 2009 8根据