波纹钢板管涵结构的有限元分析.doc

波纹钢板管涵结构的有限元分析第1O卷第4期2007年11月扬州大学学报(自然科学版)JournalofYangzhouUniversity(NaturalScienceEdition)V()1.10NO.4NOV.2007波纹钢板管涵结构的有限元分析袁新明,王琪(扬州大学水利科学与工程学院.江苏扬州225009)摘要:运用有限元方法对某一钢板管涵进行分析.得到有关应力,变形的一些结论.可为工程设计提供一定的参考.在分析中,考虑了波纹钢板的正交各向异性材料特性和地基管涵结构的耦合作用.计算结果表明,管涵结构满足强度要求,考虑地基和管涵结构的耦合作用比较合理.关键词:波纹钢板管涵;应力;变形;有限元分析中图分类号:U449.83文献标识码:A文章编号:1007824X(2007)040079一o4随着建筑行业的发展,一些新型结构,新工艺,新材料正不断地出现在建筑结构上.装配式波纹钢板管涵作为一种具有环境污染小,施工方便,工期短,能够适应不同地形条件等优点的结构,在我国已逐步得到应用,主要用于公路,铁路,涵洞,坑道,横向通道等工程.波纹管最早诞生于英国,1896年美国率先进行波纹板通道,涵管的可行性研究,并首次应用于涵洞._】随着不断的应用和经验的积累,美国,加拿大,日本等国家已经制定了专门的设计,制造,施工安装手册.2一些学者对这种结构进行了研究和分析,认为汽车荷载对波纹钢板管涵的影响是一个重要的研究课题.BAKHT对一组受汽车荷载的波纹钢管涵进行测试,预测了管涵的圆周侧压力,并提出一种计算最大圆周侧压力的方法.后来,MOORE和BRACHMAN对实际工程进行二维,三维分析,并考虑波纹管的各向异性的材料特性,将分析结果与BAKHT的试验结果进行比较,取得了一定成果.EI一SAWY3在考虑土体与管涵共同作用的基础上,对两个工程从各向同性和各向异性方面进行三维有限元分析,并与BAKHT的试验结果和MOORE,BRACHMAN的计算结果进行比较,得到了很多有意义的结论.我国对于波纹钢板管涵的应用研究比较晚,在工程设计上主要借鉴国外的实际工程经验和资料.4近年来,虽然我国已经将金属波纹管涵应用于实际工程中s,但由于各方面条件的不成熟,使得波纹钢板管涵结构在我国的推广和应用进程缓慢.本文的目的就是通过有限元方法对某一实际工程进行应力,变形分析,为其设计提供一定的参考.1结构形式与工程设计方法波纹钢板管涵是由波纹钢板卷制成管节修建而成的涵洞,一般由数片拼装组成,通过螺栓连接,铆接或套接,其中以螺栓连接型较为普遍,纵断面呈波纹状,一般埋于地面以下用来满足水流或交通的通过要求.常见的波纹钢板管涵分为3类:一是横断面为圆形的圆管涵;二是横断面为蛋形的管涵;三是横断面为椭圆形的管涵.在管涵的周围一般埋设0.3m厚的沙土作为排水层,以混凝土结构作为路基.波纹管在工程设计中主要考虑垂直土压力,水平土压力,波纹管的自重,汽车荷载-3I起的水平和垂直压力等荷载.根据实验资料,圆形波纹管恒载土压力及车辆荷载压力分布常采用球形辐射状图形分布.收稿日期2007一O327*联系人,E80扬州大学学报(自然科学版)第lO卷2有限元分析方法一般方法认为,土只作为一种荷载作用在波纹管涵上,土和结构体之间没有特别的关系,这种方法具有一定的可靠度,但不够精确.而有限元方法考虑两者的共同作用,把波纹管涵视为一种处于土中的柔性结构,把土和结构视为一个整体,体系的刚度包括地下结构和土的刚度,体系的变形包括地下结构和土的变形.结构的位移将引起作用在该结构上土的附加应力,从而导致自身的位移,应力发生变化,二者共同发生作用.波纹钢板属于几何构造上各向异性的均质材料,因此在用有限元计算前必须将波纹钢板几何正交异性转化为材料正交异性.把波纹板简化成同样厚度的正交各向异性平曲板是目前的一种典型简化方法,该方法的关键是如何确定等效材料参数,这些参数包括弹性模量和泊松比等.PENG等.将波纹板视为正交各向异性板进行研究,推导了梯形波纹板的弯曲等效弹性常数.NIISON等9按照蒙皮结构的受力机理确定波纹效应,给出了等效正交异性波纹板各弹性常数的计算公式:r,F厶E一等E,E一亡E,一,:一,G:号G,lL,一-式中E,Ez分别为z,z(轴向)方向的等效弹性模量;E,G分别为钢材的弹性常数;,分别为主,次泊松比;G为等效剪切模量;为波纹板(一个周期)的波纹弧长;b为波纹板(一个周期)的波长;I为单位宽度波纹板对其中性轴的惯性矩;为单位宽度平板对其中性轴的惯性矩.其中,31的计算如下式】:一+,le一.,式中t为波纹板厚度,厂为波纹板波幅.1厶0J厶3算例及结果分析某一波纹钢板管涵工程横断面如图1所示,波纹管截面呈圆形,管涵顶部距离地面2.0m,主体最大半径2.5m,波纹钢板波长z一160mm,波幅厂一25mm,板厚=6mm,工程按汽一2O设计.考虑地基与管涵的共同作用,采用MSC.Marc软件进行数值模拟,取一个波长波纹钢板管涵作为计算单元.地基尺寸的选择直接影响结构体系的计算结果,为了较好地反映体系的相互作用,地基单边尺寸取为波纹管最大直径的1.52倍,本文两侧计算长度为1.5D,地基的深度也取为1.5D.为了很好地模拟钢板与地基之间的相互作用,采用两种单元模型.波纹钢板管涵采用四节点四边形薄壳单元,地基,沙土,混凝土采用由四边形扩展成的六面体单元.在选取土体的模型时由于选取的范围较大,因此土体的边界条件可近似认为与周围土体固结,即模型两边假设为竖向辊轴支座,土体底端假设为固端图1波纹钢板管涵横断面图(m)Fig.1Schemeofacorrugatedsteelculvert(m)边界条件.划分后的单元数目为壳单元14O个,地基单元2660个,沙土单元600个,混凝土单元240个.在接触分析中将地基,混凝土,沙土和壳体都定义为变形体,摩擦系数取0.3.主要定义地基与沙土,沙土与壳体,壳体与混凝土及混凝土与地基之间的接触,该模型采用Coulomb接触摩擦模型.图2显示波纹钢板管涵最大主应力沿弧长方向的变化规律(无量纲),横坐标表示弧长5/半圆弧长sh,纵坐标表示应力/允许应力.压应力(负)在相对弧长OO.63(以管涵最高点为起点)范围先呈增大趋势,到达最大值后又逐渐变小;在相对弧长.0.71.0范围拉应力(正)呈增大趋势.图中第4期袁新明等:波纹钢板管涵结构的有限元分析81显示在相对弧长约为0.63处的压应力值达到最大,这表明压应力最大值发生在混凝土和壳体接触处,应力值约为一0.710_.,即为1.510Pa,小于钢结构的抗拉抗压容许应力(一2.151O.Pa);拉应力的最大值发生在波纹钢板管涵的最下端,为1.16Eo310,即为2.510Pa,说明波纹钢板管涵的设计强度满足要求.图2还显示混凝土和壳体接触处应力变化比较大,这是由于混凝土和波纹钢板管涵两种材料的力学性能不同而引起应力突变所致.通过对管涵的最大主应力分析,可知在临近混凝土和壳体接触处压应力最大,而且产生一定的应力突变;在波纹管涵的最下端拉应力最大,这些部位的连接需要加强.图2管涵最大主应力沿弧长变化曲线Fig.2Therelationshipsbetweenmaxprincipalstressandarcoftheculvert图3,4分别反映波纹钢板管涵在水平向,垂向变形沿弧长的变化,负号表示变形沿坐标轴负方向.从这些图中可发现水平向变形比较小,约为垂向变形的1/zo,相对弧长在00.5(最大直径以上部分)范围管涵的水平向和垂向变形比较大,这是由于这部分壳体直接受到胸腔的土柱的重力作用,与实际情况比较吻合.向变形沿弧长方向先增大后又减小,最大值发生在相对弧长0.5(最大直径处)处,最大变形为2.732mm,允许值为3.425mm,水平变形小于允许值;垂向变形都显示为负值说明管涵在汽车荷载作用下整体下沉,沿弧长方向变形逐渐减小,最大值发生在相对弧长0处(管涵的最高点),最小值发生在相对弧长1.0处(管涵最低点).图3管涵水平向变形X沿弧长变化Fig.3TherelationshipbetweenthehorizontaldeformationandarcoftheCUlvert星司图4管涵垂向Y变形沿弧长变化Fig.4Therelationshipbetweentheverticaldeformationandarcoftheculvert从上面的分析可知,波纹钢板管涵的垂向变形远远大于其它两个方向的变形.管涵在汽车荷载的作用下整体下沉,最大值在管涵的最高点,为4O.12mm,最小值在最低点,为2O.13mm.管涵越向下的部位变形越小,这是由于随着土层的变厚荷载被逐渐消散而造成的.考虑到土体与管涵是共同作用的,因此也分析了地基向的变形.从图5中可以看出,地基的垂向位移从地面向下是逐渐减小的,当到达边界后大小为1.9910-1m,趋近于0,这与固端边界情况比较吻合;地基的3,向最大变形为4O.10mm,与波纹管涵3,向最大变形值几乎相等,进一步说明土体与管涵是协调变形的.由此可见,考虑土体与管涵结构的共同作用具有一定的合理性.82扬州大学学报(自然科学版)第lO卷4结语本文运用有限元方法对某波纹钢板管涵进行了分析,得到如下结果:波纹钢板管涵在汽一20荷载作用下,最大主应力为2.51OPa,小于钢结构的抗拉抗压容许应力,说明波纹钢板管涵的强度满足要求;在临近混凝土和壳体接触处压应力最大,而且产生一定的应力突变;在波纹管涵的最低点拉应力最大,建议注重这些部位强度的控制;波纹钢板管涵在最大直径以上部分水平和竖直方向的变形比较大,建议采取一定措施加强这些部位的变形控制;地基的变形在管涵处从上向下逐渐减小,与管涵的变形值几乎相等,图5地基垂向Y变形等值线图(m)Fig.5Theverticaldeformationcontourlineofthefoundation(m)计算表明管涵与地基的垂向变形规律是一致的,变形是协调的.参考文献:E13E233E43536373E8391O3刘百来,李祝龙,汪双杰.钢波纹管涵洞力学性能的有限元分析J.西安工业学院学报,2006,26(1):8386,94.杨海生,徐国战.波纹钢板管涵在A30公路中的应用J.上海公路,2006(4):3032.ELSAWYKM.ThreedimensionalmodelingofsoilsteelculvertsundertheeffectoftruckloadsJ.ThinWalledStruct,2003,4l:747768.陈昌伟.波形钢板结构及其在公路工程中的应用J.公路,2000(7):4854.吴少海.青藏铁路金属波纹管涵的应用研究J.隧道,2002(4):4546.彭述权.波纹钢板桥涵试验研究与力学分析D.武汉:武汉理工大学,2003.杨安蓉.拱型波纹钢屋盖计算模型及动力特性研究D.武汉:武汉理工大学,2002.PENGLX.LIEWKM.KITIP0RNCHAIS.AnalysisofstiffenedcorrugatedplatesbasedontheFSDTviathemeshfreemethodJ.IntJMechSci,2006,49:364378.ATREKE,NILSONAH.NonlinearanalysisofcoldformedsteelsheardiaphragmsJ.JStructDiv,1980(3):6937l0.常福清,石九洲.关于波纹板第二主向刚度的探讨J.钢结构,2006,21(2):1719.FiniteelementanalysisofacorrugatedsteelculvertstructureYUANXinming,WANGQi(CoilofHydrSci&Engin,YangzhouUniv,Yangzhou225009,China)Abstract:Thestressanddeformationofasteelculvertstructureareanalyzedbyfiniteelementmethod.Someusefulparametersforcorrugatedsteelculvertstructuredesignareobtaine