搜索钢板管涵结构的有限元分析
2013-06-10 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
波纹钢板管涵作为一种新型的结构,在我国的应用和研究处于起步阶段,有不少问题值得研究和探讨。本文运用有限元分析方法对某一钢板管涵进行应力和变形分析,在分析中得到了应力和变形的一些结论,为工程的设计提供一定的经验和参考。
作者: 袁新明*王琪 来源: 万方数据
关键字: 波纹钢板管涵 应力 变形 有限元分析
随着建筑事业的发展,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、能够适应不同的地形条件等优点,在我国已开始应用,主要应用于公路、铁路、涵洞、坑道、横向通道等工程。波纹钢管已有近百年历史,起源于 1896 年美国一家发明专利公司。自十九世纪末起,美国、加拿大、英国、日本等国家就开始研制、开发和应用波纹钢板管涵,并制定了专门的设计、制造、施工安装手册和规范标准。日本在 1980 年的《日本高等级公路设计规范》中对波纹钢板管涵有较为详细的规定,该规范给出了五种类型波纹管涵在不同管径和填土厚条件下的波纹管管壁厚查用表格、管段组合螺栓选用方法、对于半沟型和突出型两种背填材料方式的背景设计方法、基础和管端部的设计方法等等。许多学者专家也对这种新型的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了测试,预测了管涵的圆周侧压力,并提出了一种计算最大圆周测压力的方法。后来,Moore和Brachman对实际工程进行了二维、三维分析,并考虑了波纹管的各向异性的材料特性,将分析结果与Bakht的试验结果进行了比较,取得了一定的成果。K.M.EL-Sawy在考虑土体与管涵共同作用下的基础下,对两个工程进行从各向同性和异性的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建议和结论。
我国对于波纹钢板管涵的研究还处于起步阶段,在工程设计上主要借鉴国外的实际工程经验和资料;我国已建设了几座波纹钢板桥涵,如 1997 年广州浦东张桥镇工业区,跨径 4.46米; 2001 年湖北荆州区里李埠小桥,跨径 5 米;2003 年 5 月的湖北洪湖市丰收渠桥涵工程;1998 年在青藏公路的整治工程中修建过实验工程等。但由于各方面技术的不成熟,阻碍了波纹钢板桥涵结构在我国的推广和应用。本文的目的就是运用有限元分析方法对某一实际工程进行应力、位移分析,为其设计提供一定的理论依据。
2 结构形式与构造
波纹钢板管涵是由波纹钢板卷制成管节修建成的涵洞,横截面一般是由数片拼装组成,用螺栓连接、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人流的通过要求,常见的波纹钢板管涵分为三类(如图 1 所示),一是横断面为圆形的叫做圆管涵;二是横断面为蛋形的管涵;三是横断面为椭圆形的拱涵。在管涵的周围一般设 0.3m 厚的砂土层作为排水材料,以混凝土结构作为路基。
3 工程设计方法
波纹管埋置于地面以下,主要外力有:填土的垂直土压力、填土的水平土压力、波纹管的自重、汽车荷载引起的水平和垂直压力。内力计算决定于外力的大小及外力的分布形式。根据实验资料,对于柔性圆形波纹管恒载土压力及车辆荷载压力分布,采用图 2 所示球形幅射状图形分布。水平变形及相关截面内力计算公式如下:
水平变形计算公式
4 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。有限元方法考虑两者的共同作用,把波纹管涵看成是一种处于土中的柔性结构,把土和结构看作一个整体,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。
波纹钢板其结构性能在两个互相垂直的方向上表现不同,属于几何构造上各向异性均质材料,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。目前波纹钢板从宏观上简化成同样厚度的正交各向异性圆柱壳,直接利用圆柱壳的有关理论对波纹拱进行静力分析是一种典型的简化方法,这种简化方法的关键是如何确定等效材料参数,等效材料参数包括弹性模量和泊松比等 5 个。按照蒙皮结构的受力机理确定波纹效应,Nilson给出了等效正交异性波纹板的各弹性常数的计算公式
5 算例
本文的计算实例是某一波纹钢板管涵工程,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l=160mm,波幅 f=25mm,板厚t =6mm,工程按汽-20 设计,细部尺寸见图 3。
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到结构体系的计算结果,为了较好的反映体系的相互作用,参照相关文献对实验模型尺寸的要求,认为地基单边尺寸为波纹管最大直径的1.5~2 倍左右就可以反映地基对基础的作用,本文两侧计算长度为 1.5D,地基的深度也取为 1.5D。本文主要研究力学和变形特性,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。波纹管桥涵采用四节点四边形薄壳单元;地基、砂土、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边界条件。划分后的单元数目为:壳单元 140 个、地基单元 2660 个、砂土单元 600 个、混凝土单元 240个。在接触分析中将地基、混凝土、砂土和壳体都定义为变形体,摩擦系数取为 0.3。主要定义地基与砂土、砂土与壳体、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。
6 计算结果分析
图 4 显示了波纹钢板管涵最大主应力沿弧长方向变化规律(无量纲)及等值线,横坐标表示弧长/半圆弧长、纵坐标表示应力/允许应力。压应力(负)在相对弧长 0~0.63(以管涵最高点为起点)范围内先呈增大趋势,到达最大值后又逐步变小;相对弧长 0.7~1.0 范围内拉应力(正)呈增大趋势。图中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 -0.57[σ]×10-2,即为 1.4×106Pa,小于钢结构的抗拉抗压容许应力[σ] =2.15×108Pa;拉应力的最大值发生在波纹钢板管涵的最下端,约为 1.15[σ]×10-2,即为 2.5×106Pa,说明波纹钢板管涵的设计强度满足要求。图中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的力学性能不同引起的应力突变。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 5 反映了波纹钢板管涵在数水平向 x、垂向 y 变形沿弧长变化趋势,负号表示变形沿坐标轴负方向。从这些图中可看到水平向变形比较小,约为垂向变形的 1/20,相对弧长在 0~0.5(最大直径以上部分)范围内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。x 向变形沿弧长方向先增大后又变小,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 3.425 mm,水平变形小于允许值;垂向变形都显为负值说明管涵在汽车荷载作用下整体下沉,沿弧长方向变形逐步减小,最大值发生相对弧长 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)。
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,图 6 显示了波纹钢板管涵在y向的变形和等值线,管涵在汽车菏载的作用下整体下沉,最大值在管涵的最高点,值为 40.12 mm,最小值在最低点,大小为 20.13 mm。管涵越往下部位,变形越小,这是由于随着土层的变厚,荷载被逐步消散的原因造成的。考虑到土体与管涵是共同作用的,因此地基也分析Y向的变形。从图 7 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1995×10-17 m,趋近于 0,这与固端边界情况比较吻合。从图 7中还可以看出地基的Y向最大变形为 40.10 mm,与波纹管涵的y向最大变形值是相等的,这进一步说明了土体与管涵是协调变形的,可见考虑土体与管涵结构的共同作用具有一定的合理性。
7 结语
本文运用有限元对某波纹钢板管涵进行了分析,通过分析得到如下的结果:
1. 波纹钢板管涵在汽-20 荷载作用下,最大主应力为 2.5×106Pa,小于刚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;
2.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的拉应力最大,建议注重这些部位的强度的控制;
3.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,需采取一定的措施加强这些部位的变形控制;
4.地基在管涵处从上往下逐渐变小,与管涵的变形值相等;计算说明管涵与地基的垂向变形规律是一致的、变形是协调的。
相关标签搜索：钢板管涵结构的有限元分析 SolidWorks培训课程 SolidWorks设计教程 SolidWorks视频教程 SolidWorks软件下载 SolidWorks在建筑室内设计工业设计的应用 SolidWorks基础知识 SolidWorks代做 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Ansys培训 Abaqus培训 Autoform培训
