装配式悬链线形拱涵受力数值模拟研究

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1、研究与探讨广东建材2011年第8期装配式悬链线形拱涵受力数值模拟研究姜峰林(广东省冶金建筑设计研究院)摘要：传统的拱涵、盖板涵及管涵材料用量大、施工周期长，成为路基施工的主要制约因素。预制装配式拱涵，由预制拱片和现浇基础两部分组成，结构受力合理、安装简便，可以节约大量材料、缩短涵洞工期。在模拟路堤分层填筑的情况下，采用有限元方法对拱片结构内力进行了静力分析，结果表明，在设计填土高度情况下拱片以承受压力为主，仅受到很小的弯矩和剪力作用。关键词：拱涵；预制拱片；悬链线理论；有限元1引言2悬链曲线理论涵洞是用作路基排水或过人通道的小型构筑物，因在垂直及水平方向的土压力作用下，

2、为了使预制拱其数量众多，在路基工程中所占比重较大。目前，拱涵、片成为以受压为主的结构，其曲线形状可通过悬链线理盖板涵和管涵为最常用的传统涵洞类型，缺点是受力形论确定。悬链线理论由Brockbank和Segrestin式不尽合理，材料用量大。此外，盖板涵和拱涵多以现场提出[1]，其原理为：由于绳索不能承受压力和弯曲力，只制作为主，施工周期长，涵洞施工时阻碍了施工便道的能通过拉力承担作用在其上的全部荷载，绳索受竖向及畅通，使得道路沿线的土方调运困难，从而拖延的整条水平荷载作用后的形状如图2(a)所示。如保持绳索曲道路的工期；管涵虽然可以采用工厂预制、现场安装的线形状不变而改

3、变绳索的材料性质和位置，即把向下弯方式，但现场安装较为困难，并且只能作为排水通道，应曲的绳索变成向上弯曲的混凝土拱，同时保持作用在拱用范围受到了限制。上的力与作用在绳索上力的作用点、方向及大小不变，预制装配式拱涵采用基础现场浇筑，拱片工厂预如图2(b)所示，那么新的拱结构将仅承受压力作用。制、现场拼装的方式。在土压力作用下，拱片可设计成以受压为主的构件，结构受力合理，能够节省大量材料：预制拱涵安装简便，施工进度快，能够有效缩短涵洞工期，为后续施工奠定基础，经济效益显著。涵洞的基础根据∞劐黼瑚峨受圆明糖地基承载力情况，可选用分离式或整体式基础的型式。图2悬链线拱受力原理拱

4、涵跨度一般为2～6m，拱片在跨度较小时(2～3m)采在垂直及水平土压力作用下，由悬链线理论所得出用两铰拱形式；跨度较大时(3～6m)拱片质量较大，为方便运输与吊装可采用三铰拱的型式图l所示。的纯受压悬链拱曲线是一个多次二元方程：。。6y一2y一10T2x—+导3Lx～。一2x⋯。+L(h+FI1x=0(式1)式中：入一侧向土压力系数，=tan(Ⅱ／4-中／2)；一土内摩擦角；其它参数见图3。由于悬链拱曲线是多图1预制装配式拱涵示意图次二元方程，不能直接求得解析解，需要通过变量X的递增间接求出变量y，进而拟合出拱曲线。拱片内力可本文对预制装配式拱涵技术的可行性进行了初步以

5、通过有限元方法进行分析，有限元能够考虑涵一土相探讨。在模拟路堤分层填筑的情况下，采用有限元软件互作用的影响，计算结果较为符合涵洞实际受力情况。ANSYS对拱片结构内力进行了静力分析，并根据有限元计算结果对拱涵进行了结构设计。3拱涵内力有限元分析一136—广东建材2011年第8期研究与探讨按平面单元建模后的有限元模型如图4所示。回填土及地基假定为理想弹塑性模型，屈服准则采用修正后的摩尔一库仑准则(即Drunker—Prager准则)；混凝土拱片及基础假定为线弹性模型，拱片厚度为0．15m；基础宽度1．Om，厚度0．4m，土与混凝土摩擦系数为0．5，混凝土与混凝土摩擦系数为

6、1．0。各种材料参数取值见表1。1．．}．曼．I表1有限元材料模型参数图3受压拱形曲线参数回填土地基混凝土涵洞有限元模型中，假定涵顶的设计填土高度为lOm，E(MPa)l55030000U0．330．3OO．17拱片的计算跨度2．4m。回填土内摩擦角取26。，将C(kPa)17．040．0值带入公式(1)采用增量方法拟合出悬链拱曲线形(。)26．050．O状，计算出的拱高为1．95m，其过水面积与内径2m的管Y(kN／m。)19．O22．O25．0涵的面积相近。3．2分层加载施工模拟3．1有限元模型涵洞的施工过程是按照先安装涵洞结构，然后逐层由于涵洞纵向长度远大于涵洞截

7、面尺寸，有限元模回填基坑及上覆土体的过程进行。因此，涵洞结构所承型简化为平面应变问题考虑。土体采用平面四边形单元受的土体压力是逐层施加到结构上的，各层填土的自重模拟；拱片可采用平面四边形单元或梁单元两种方式进仅对前期己填土层有影响，而对后续填土层无影响[2]。行模拟，平面单元可直观得到拱片的各种应力分布情因此模拟施工分层加载工程，可以正确地反映这种施工况，但不能获得设计中所需要的弯矩、剪力以及轴力，梁分层填筑加载作用与被作用的关系，使计算结果更接近单元与平面单元则刚好与之相反。因此，有限元模型分工程实际情况。别考虑拱片为平面单元和梁单元两