CN110837667A - 一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法 - Google Patents

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    • E01CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01DCONSTRUCTION OF BRIDGES, ELEVATED ROADWAYS OR VIADUCTS; ASSEMBLY OF BRIDGES
    • E01D22/00Methods or apparatus for repairing or strengthening existing bridges ; Methods or apparatus for dismantling bridges

Abstract

本发明公开了一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,具体步骤为:步骤1、根据刚波纹板结构的形状,建立钢波纹板结构有限元模型;步骤2、利用有限元模型,修改土体的弹性模量进行计算分析;步骤3、利用有限元模型,修改填土高度进行计算分析;步骤4、利用有限元模型,修改土体的密度变化进行计算分析;步骤5、利用有限元模型,修改土体的泊松比变化进行计算分析,涉及桥梁建筑技术领域。该基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,解决了针对目前上对钢波纹板结构填土材料研究的不足的问题,避免了模型简化对结构分析计算精度的不利影响,因而非常适合于工程应用。

Description

一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法
技术领域
本发明涉及桥梁建筑技术领域,具体为一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法。
背景技术
随着交通建设事业的发展和日益增长的交通量,很多已建成的桥涵结构出现了影响结构安全使用的严重病害,迫切需要得到加固,针对目前上对钢波纹板结构填土材料研究的不足,目前业内常用的结构模型主要包括三维模型和平面模型两种,三维实体模型虽然能如实地反映了结构的尺寸,因而能更准确地对结构进行仿真分析,但由于其建模、求解及结果后处理等过程都比较复杂,旧结构与钢波纹板结构间填充的混凝土与新、旧结构之间的连接都存在非线性的接触问题。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,解决了针对目前上对钢波纹板结构填土材料研究的不足的问题。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,具体步骤为:
步骤1、根据刚波纹板结构的形状,建立钢波纹板结构有限元模型;
步骤2、利用有限元模型,修改土体的弹性模量进行计算分析;
步骤3、利用有限元模型,修改填土高度进行计算分析;
步骤4、利用有限元模型,修改土体的密度变化进行计算分析;
步骤5、利用有限元模型,修改土体的泊松比变化进行计算分析。
进一步地,步骤1中钢波纹板结构的模型根据结构的实际尺寸建立,且结构上的填土根据相关经验水平,尺寸取三倍的结构跨度,竖向尺寸采用实际的填土高度。
进一步地,所述有限元模型采用ANSYS得BEAM3单元模拟钢波纹板,采用板单元PLANE82模拟土体。
优选的,步骤2中钢波纹板结构的广义填土弹性模量的取值范围定义在 1E7至4E10之间。
进一步地,步骤2中按土体初始弹模的五十倍为级差,将填土的弹模取值范围推广到2.6E7至3.25E10之间。
进一步地,所述步骤4中在ANSYS中求出这些模型的内力,绘制成相应的曲线。
进一步地,结合有限元模型的变化规律,确定钢波纹板结构填土的最佳泊松比。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法。具备以下有益效果:
(1)、该基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,通过二维的平面应变模型常基于一些假定,对实际结构进行了一定的简化,把空间问题转化为平面问题,提高了建模和求解的效率,另一方面,由于平面应变模型大大缩减了单元,使得在有限元模型中引入结构与土体的接触情况或者土体、结构的非线性特征等影响因素成为可能,有效回避了模型简化对计算精度的影响,因而非常适合于工程应用。
(2)、该基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,直接在旧结构的基础上进行加固,避免了对旧结构进行拆除过程中对现状交通的不良影响,有效地保证了加固过程中道路的通行能力,避免了交通管制及改道通行所导致的巨大经济损失;此外,该方法能够从本质上对现有桥涵结构进行加固,既可利用旧结构的剩余承载能力,又充分发挥了钢波纹板材的受力优势,同时还提供了较大的安全储备,保证了道路远期交通量增长规划功能。
(3)、该基于钢波纹板桥梁加固的填土方法优势明显,具有非常广泛的应用前景,但由于无法准确地掌握加固前旧结构的状态信息,再加上加固过程中存在结构体系的转换以及旧结构与钢波纹板结构之间存在接触问题等困难阻碍了该方法的应用及发展,针对此,本文提出可先对采用不同填土材料的钢波纹板—填土复合结构进行分析研究,探讨填土特性对结构受力的影响特征,为该种基于新旧复合结构联合加固方法的应用和研究奠定必要的基础。
具体实施方式
本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种技术方案:一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,在建立钢波纹板结构有限元模型的时候需要对其进行一定的简化,否则,由于纵向波纹的存在,导致刚波纹板结构的形状比较复杂,若直接按结构的原始尺寸建立有限元模型,则须采用空间三维实体模型,采用三维实体模型对钢波纹板进行结构分析,由于其建模、求解及结果后处理等过程都比较复杂,因此一般在工程应用中很少会采用这种方式,根据钢波纹板规范,在实际应用的时候一般将波纹钢板等效成纵向厚度统一的钢板,把结构离散为二维平面模型;
钢波纹板结构的模型根据结构的实际尺寸建立,而对于结构上的填土,则根据经验水平尺寸取三倍的结构跨度,竖向尺寸采用实际的填土高度;
本发明采用ANSYS得BEAM3单元模拟钢波纹板,采用板单元PLANE82模拟土体,边界条件根据实际情况确定,暂不考虑到结构底部土体变形对结构受力影响,直接在与结构底面同一水平线上的土体施加Y方向的约束;根据圣维南原理,在两侧土体的远端施加X方向约束;最后,在钢波纹板拱底节点处施加X和Y方向的约束,即相当于两铰拱,为了简化计算,建模暂不考虑土体和结构的接触非线性,通过假设土体与结构为理想接触,公用节点来模拟接触边界;
一般路基填土的弹性模量为3E7Pa,对不同的土质,该值大小不同,但是数量级均为1E7;而对于在工程中应用较广的轻质砼的弹性模量一般为1E9~ 1E10(Pa),普通砼的弹性模量为1E10~4E10(Pa),因此,将上述定义的钢波纹板结构的广义填土弹性模量的取值范围定义在1E7~4E10之间。
本发明通过在修改土体的弹性模量进行计算分析,首先考虑按土体初始弹模的五倍递增的情况,即2.6E7Pa~1.3E9Pa,级差为1.3E8的十一种情况;
根据基本模型以相应的弹模改变所对应的结构扩展模型的分析结果可知,控制钢波纹板结构受力的截面主要位于拱顶和拱肩处,其中,拱肩的内力最大,但由于计算模型中将钢波纹板结构模拟类似为两铰拱的边界条件,与结构的实际边界条件存在一定的偏差,为了更准确地反映结构内力随弹模的变化特征,列出拱顶处的轴力和弯矩的特征曲线;
在ANSYS的前处理模块输入以下参数:钢波纹板弹性模量2.1E11Pa;泊松比0.3;密度7850kg/m3;土体变形模量初定为1.0E7Pa;泊松比0.15;密度1500kg/m3
本发明的填土特性既包括物理特性又包括力学特性,填土的物理特性包括与质量相关得特性、与水相关的特性以及与温度相关的特性;填土的力学特性是指在荷载作用下填土抵抗破坏或变形的性质,如强度、弹性、塑性、脆性等;,由于填土堆积的时间越长,土的密实度就越好,强度就越高。
本发明钢波纹板结构拱顶截面的轴力N和弯矩M均随填土的弹模Ed的增大而减小,其中轴力减小的级差约为2%,弯矩减小的级差约为7%~10%,这与结构力学里面常见的结构各构件的内力按刚度分配的规律相符,即填土的弹模增大引起的轴向刚度和抗弯刚度增大使得钢波纹板结构本身所占的刚度比例减小,因此结构所分配到的轴力和弯矩也相应减小
本发明为了涵盖钢波纹板填土采用混凝土的情况,假定考虑更大的弹性模量变化对结构受力的影响,按土体初始弹模的50倍为级差,把填土的弹模取值范围推广到2.6E7~3.25E10之间;
随着填土弹模的增大,钢波纹板拱顶处的轴力逐渐减小,但减小的幅度越来越小,说明了当填土弹模增大到一定程度之后,对结构受力的影响逐渐减小,因此在实际工程应用的时候,可通过选取合适的填土弹性模量,在不过分影响工程造价的前提下使结构的受力更为合理;
随着填土弹模的增大,钢波纹板拱顶处的弯矩也逐渐减小,减小的幅度也越来越小,但不同的是,当填土弹模小于5.2E9时,随着弹模的增大,弯矩随之显著减小;当填土的弹模为5.2E9时,拱顶的弯矩值已经小于10kN·m,此后随着填土弹模的继续增大,Ed-M曲线的发展趋于水平,这时填土弹性模量增大对钢波纹板拱顶弯矩的影响几乎为零;综合考虑Ed-N曲线,可大致确定钢波纹板结构填土的最佳弹性模量;
钢波纹板结构的广义填土的最小密度为500kg/m3,如加气混凝土,最大密度为2300kg/m3,如普通混凝土,为此采取相同的方法,在钢波纹板结构基本模型的基础上,考虑不同的填土密度,探讨其对结构内力的影响;
本发明除了密度以及填土的弹性模量取值为1.04E9以外,其他参数前面所述的基本模型一致,采用同样的方法,在ANSYS中求出这些模型的内力,绘制成相应的ρ-N曲线和ρ-M曲线;
随着填土密度的增大,钢波纹板结构拱顶处的轴力和弯矩均随之增大,曲线的形状近似为一条正比例直线,即对于钢波纹板结构而言,填土密度的增大相当于作用于其上的竖向荷载增大,因此结构的内力也随着增大,当结构处于弹性工作状态时,这种变化近似为线性的;
本发明中处于弹性工作状态的结构建材如钢、混凝土、岩石、土体的泊松比取值均不会超过0.5的上限;
泊松比是很难精确得到的,实际工程中采用的泊松比为近似值;考虑不同填土的泊松比取值,按照相同的步骤在ANSYS中求出这些模型的内力,进而绘制出相应的ν-N曲线和ν-M曲线;
随着填土泊松比得增大,钢波纹板拱顶处的轴力也按比例增长,ν-N曲线近似为正比例函数曲线,由于拱顶处的钢波纹板结构单元的轴力方向为水平向,在竖向荷载的作用下,土体的横向变形近似为水平向,随着泊松比的增大,在相同的竖向荷载作用下,土体的横向变形增大,因此对钢波纹板结构的水平约束强度降低,从而导致拱顶处水平向的轴力增大;
随着填土材料的泊松比增大,钢波纹板拱顶处的弯矩逐渐减小,ν-M曲线近似为一条下降的直线,结合轴力的变化规律,土体的泊松比增大,钢波纹板结构拱顶的轴力随之增加,弯矩随之减小,对轴向强度占优的钢材而言,泊松比增大对结构的受力有利。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,具体步骤为:
步骤1、根据钢波纹板结构的形状,建立钢波纹板结构有限元模型;
步骤2、利用有限元模型,修改土体的弹性模量进行计算分析;
步骤3、利用有限元模型,修改填土高度进行计算分析;
步骤4、利用有限元模型,修改土体的密度变化进行计算分析;
步骤5、利用有限元模型,修改土体的泊松比变化进行计算分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,其特征在于:步骤1中钢波纹板结构的模型根据结构的实际尺寸建立,且结构上的填土根据经验水平尺寸取三倍的结构跨度,竖向尺寸采用实际的填土高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,其特征在于:所述有限元模型采用ANSYS得BEAM3单元模拟钢波纹板,采用板单元PLANE82模拟土体。
4.根据权利要求1所述的一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,其特征在于:步骤2中钢波纹板结构的广义填土弹性模量的取值范围定义在1E7至4E10之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,其特征在于:步骤2中按土体初始弹模的五十倍为级差,将填土的弹模取值范围推广到2.6E7至3.25E10之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,其特征在于:所述步骤4中在ANSYS中求出这些模型的内力,绘制成相应的曲线。
7.根据权利要求1所述的一种基于钢波纹板桥梁加固的填土方法,其特征在于:结合有限元模型的变化规律,确定钢波纹板结构填土的最佳泊松比。
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