基于ANSYS的橋梁回填過程模擬及結果分析

摘要：覆土波紋鋼板小橋具有很多優點，其中之一是有良好的適應變形能力，需要注意的是，作為一種柔性拱形結構，需要注意采用的回填增筑方案。根據現有資料可以明確，現代研究人員在進行分析和研究的時候，是針對實驗模型和實際工程進行的，并分別對回填工程的橋涵結構變形和內力進行測試，但是沒有對能夠影響回填施工結構力學的因素進行研究和分析。為了彌補這一空白，文章在結合實際工程的基礎上使用有限元軟件構建模型，然后對多種不同的回填方案進行計算，從而研究不同回填方案結構內力和結構變形對結構力學的影響，為其他研究人員研究相關內容提供參考。

關鍵詞：橋梁;ANSYS;受力性能;回填施工

中圖分類號：TU753;U44

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）08-0109-05

Simulation and Result Analysis of Bridge BackfillingProcess Based on ANSYS

CHENG Bin

（Xinjiang Railway Survey & Design Institute Co.Ltd..China Railway First Research Institute CJroup，LTrumqi Xinjiang 830011.China）

Abstract ： Buried corrugated steel bridge has many advantages，one of which has good adaptability to deformation.ltshould he noted that as a flexible arch structure.it is necessary to pay attention to the backfilling and expansionscheme.According to the available data.it is clear that modern researchers conduct analysis and research on experi-mental models and actual projects， and test the deformation and intemal forces of the bridge and culvert structureof the backfilling project，but there is no research and analysis on the factors that can affect the mechanics of thebackfill construction structure. In order to make up for this gap，this paper uses finite element software to huild themodel hased on the actual engineering， and then calculates a variety of different backfilling schemes to study theinfluence of internal force and structural deformation of different backfilling schemes on structural mechanics.Re-searchers provide relevant references for research.

Key words ： bndge;ANSYS;force performance;backfill construction

0引言

覆土波紋鋼板結構橋涵具有很多優點，比如不會對環境造成污染、成本投入較低、能夠應用的范圍較廣、工程進展較快等。因此，很多國家對其進行分析和研究，目前已經形成了比較成熟的施工技術和規范，從而取代了傳統建筑技術。[1]隨著國民經濟的不斷發展，中國在該領域對覆土波紋鋼板結構的分析和研究十分緊迫，但由于中國對該類結構研究的時間相對較短，因此對受力特點等方面的研究還不夠深入，特別是對開截面拱形結構的研究。[2-5]所以對覆土波紋鋼板拱橋的土結作用規律和受力特點進行分析和研究十分必要。

文章在進行分析和研究時，是以實際工程為基礎進行的，利用有限元軟件構建相關模型，模擬多種回填方式，對施工時產生的結構應力進行分析和研究，并對其變化特點進行總結，從而彌補中國研究內容的空白，也為其他相關內容研究提供參考。

1有限元模型的建立

在進行波紋鋼板拱橋的覆土施工時，如果從結構角度進行分析可以發現，其荷載并不是簡單均勻分布的，由于和其結構接觸較為緊密，因此會一起受到力的作用，也會一起發生形變，所以在進行覆土施工的時候，需要對結構和土體的影響作用進行分析和研究。由于該問題比較復雜，因此當時沒有一個明確的解析手段。隨著科學技術的發展和計算機技術的不斷革新，開始使用有限元數值分析對其進行分析和研究，現在進行工程設計的時候，有限元軟件已經成為了必備工具。在利用有限元模型對結果進行計算的，選擇的結構參數和材料參數是十分重要，不同的參數會對計算結果產生影響。[6]

1.1參數選擇

本文在對波紋板的截面特性進行計算的時候，選擇使用的計算方法是積分方法，計算結果詳見表1，選擇的回填土為砂性土，30°為內摩擦角，30MPa為彈性模量;2.06x105MPa為材料的彈性模量。

1.2計算模型的建立

在進行設計和分析的時候，經常使用的模型是平面模型，該模型有很多優點，比如具有較快的運行速度、可以簡單的進行建模等。對于本文研究的這種波紋鋼板橋涵結構來說，由于和結構跨徑相比，軸向長度要大很多，所以通常在構建這種空間結構的時候會采用圣維南原理進行構建，從而使構建的模型能夠滿足平面應變基本假定。該模型也同樣存在一些缺點，比如無法根據實際情況加載活載形式、不能把真實波形引入其中等。

1.2.1選取單元

如果想要把模型簡化，則需要以抗彎環向抗彎剛度相等原則為基礎，從而使一定波形的鋼板等效為平鋼板，本文在對實際鋼板受力情況進行研究和分析的時候，選擇beam3二維梁單元進行模擬;上文已經闡述，在覆土的時候需要考慮互結作用，因此在構建模型的時候，需要讓兩側土體長度滿足一定條件，即為跨徑的2.5倍[7]，在對土地進行模擬的時候，選擇使用plane42二維實體單元進行模擬。

1.2.2結構和土體連接方式

根據相關研究資料可以明確，把結構和土的接觸方式分為2種，一種是在土與結構之間加入接觸單元，另一種則是節點耦合。第2種接觸方式是當2個結構互相接觸的時候，會存在一個公用節點，通過該節點，可以讓2個結構緊密相連，當力傳遞的時候，也是通過這個節點進行的。假設在回填工程中，結構和土之間沒有存在滑移，在此基礎上對結構和土體之間的相互作用進行研究和分析，可以認為2個結構之間是通過第2種方式進行接觸的。

1.2.3模擬施工

在回填土施工的時候，回填土不是一次性回填完畢的，而是1層1層回填的。因此用于研究和分析的模型也需要能夠模擬出分層回填的功能。在本文使用的有限元軟件中，如果想要模擬分層回填的功能，可以通過殺死/激活土體單元的方式實現。

1）殺死/激活土體單元，即二維實體單元plane42，讓該模擬土體單元處于不被激活的狀態，從而在計算的時候僅使用模擬拱的梁單元。在這種情況下，計算的結果是在沒有回填土的時候，拱在自重作用狀態下的結果。

2）讓第1層回填土單元被激活，從而讓模擬回填土的單元能夠進行計算，然后繼續加載，在這種情況下，計算的結果是進行第1層回填土之后的狀態結果。

3）讓第2層回填土單元被激活，繼續進行計算。不斷激活每一層回填土單元，直到所有層的回填土單元都被激活，并對每一層回填土之后的狀態進行計算。

2回填過程模擬及結果分析

為了讓本文所述設計研究更加精細，本文選擇把回填土的過程進行劃分，一共分為14個階段，不同回填土階段的填土高度詳見表2所示。通過使用構建的模型，可以對回填土分層過程進行模擬，使用的方法是生死單元法[8]，首先需要根據不同層回填土的狀態計算其應力和位移，然后對不同層回填土的狀態進行分析和比較，找出最不利階段之后，研究該階段對結構受力性能的影響作用。

2.1對稱回填施工結果分析

在進行對稱回填土工程的時候，不僅荷載是對稱的，結構也是對稱的，因此在進行計算的時候，可以僅對半拱圈進行計算，從而獲得不同階段回填土狀態產生的內力和位移。文中在表1的基礎上選取了幾個施-階段，對從拱腳到拱頂的拱圈徑向絕對位移進行計算，結果詳見圖1。

深入研究和分析圖1可以明確，在1/8跨徑結構的時候，當填土高度小于2.5m的時候，位移和填土高度呈正相關。當填土高度繼續增加，到4.3m的時候，位移和填土高度呈負相關;在拱頂結構的時候，其位移變化和1/8跨相同，但是位移的方向不同，在增加填土高度的時候，產生的位移向上，即出現了反拱現象。圖2（a）所示的是當填土高度為2.5m時的結構狀態;圖2（b）所示的是當填土高度為4.3m時的結構狀態。深入研究和分析圖2（b）可以明確，此時發生的變形趨勢是兩側拱腰并沒有向外凸出，拱頂則向內凹。之所以產生這種情況，可能的原因是使用有限元軟件構建模型的時候，軟件會對結構和土體的作用、回填分布進行考慮，從而使變形受到制約。在進行回填土施工的時候，當回填土高度為2.5m的時候會出現最大位移，位移值約為0.9min。

彎矩和軸力共同產生了拱圈的應力，則有公式：

（1）

在公式（1）中：波紋鋼板截面抵抗矩用符號W表示，單位為m3;拱圈彎矩用符號M表示，單位為kN·m;波紋鋼板橫截面面積用符號A表示，單位為m2;拱圈軸力用符號N表示，單位為kN。

把二者相減，并定義其為拱圈最小應力（σmin），把二者相加，并定義其為拱圈最大應力（σmax）。通過對σmin和σmax進行分析和研究，可以對結構的截面應力變化進行分析和研究。圖3（a）所示的是不同施工階段拱圈最大應力，圖3（b）所示的是不同施工階段拱圈最小應力。

深入研究和分析圖3（a）可以明確，在進行回填土施工的時候，當回填土高度為2.8m的時候，拱圈最大應力符號不僅有代表壓應力的負號，還存在代表拉應力的正號。當回填土狀態為拱頂和1/8跨徑的時候，拱圈出現最大應力值，為正號，數值約為10MPa，對應回填土高度最小為2.2m，最大為2.5m;當回填土高度狀態為拱腳的時候，拱圈出現最大應力值的最小值，對應回填土高度為4.3m。在進行施工的時候，結構1/8跨徑最大應力從拉應力10MPa轉化為壓應力-20MPa。對應回填土高度為4.3m。

深入研究和分析圖3（b）可以明確，在進行回填土施工的時候，拱圈最小應力都是代表壓應力的負號。當回填土狀態為拱腳和1/8跨徑的時候，拱圈出現最小應力值的最大值;在進行回填土施工的時候，對應回填土高度最小為0.4m，最大為2.8m的時候，最小應力的最大值出現明顯變化，最大值的位置從拱腳向1/8跨徑處移動;對應回填土高度最小為3.7m，最大為4.3m的時候，最大值的位置從1/8跨徑處向拱腳移動。由此可以明確，在進行回填土施工的時候，拱腳到1/8跨徑之間是最薄弱的部位。

結合以上最大應力和最小應力情況可以明確，當回填土高度不大于2.8m的時候，拱圈截面同時存在兩種力。當回填土狀態為1/8跨徑的時候，對應回填土高度為2.5m的時候，截面的最小應力約為-17MPa，最大應力約為10MPa，二者之間的差值為27MPa。當回填土高度不小于2.8m之后，拱圈截面僅存在一種力，即壓應力。當回填土狀態為1/8跨徑的時候，對應回填土高度為4.3m的時候，截面的最小應力約為-2lMPa，最大應力約為-18MPa，二者之間的差值為3MPa。

通過以上論述能夠明確，在進行回填土施工的時候，應力變化較大的狀態是拱頂附近，如果結構是混凝土結構或者是圬工結構，在此應力下則容易出現開裂，而采用波紋鋼板則可以在具有相同抗拉壓能力的同時更好的適應這種應力變化，從而避免出現開裂的現象。

2.2非對稱回填施工計算結果分析

通過對對稱回填土施工進行研究和分析可以明確，結構出現最大應力和位移時，是回填土填到拱頂的時候。現在本文將對一種比較特殊的情況進行研究和分析，即在拱頂的回填是非對稱回填，并對這種情況下的結構應力和位移變化進行分析和研究。在進行分析的時候，以回填土高度為2.2m和2.5m為基準。在其一側的回填土高度增加40cm，另一側增加20cm.詳見圖4。

由于進行回填土施工時采用的是非對稱回填，因此導致了荷載分布不是均勻的。所以不能取半個拱圈進行研究和分析，而是需要對整個拱圈進行分析。圖5（a）所示的是回填土高度為2.2m時產生的位移變化，圖5（b）所示的是回填土高度為2.5m時產生的位移變化，

深入研究和分析以上圖5可以明確，結構位移受非對稱回填的影響很大。在回填土較高一側的1/8跨徑處，出現了位移最大值，詳見圖6。深入研究和分析圖6可以明確，和本文之前的計算結果相比，圖6的形變趨勢基本相同，也是在荷載小的一側有外凸的拱圈，在荷載大的一側有內凹的拱圈。但是和本文之前的計算結果相比，還存在不同之處，其不同點在于有限元模型對結構變形的約束。從而圖5 （a）和圖5（b）可以看出，在填土較低一側，結構位移會持續性減小，在填土較高的一側，結構位移會持續性增加;在填土較低一側，位移在拱腳到1/4跨徑間變化比較明顯，當回填土高度為2.2m和回填土高度為2.2+0.4m的，其產生的位移之間的差約為3倍;當不對稱性繼續增加的時候，會繼續增加不對稱回填土兩側的位移差值。

3結語

文章在進行研究和分析的時候，采用有限元軟件進行研究，分別對兩種回填土施工方式中結構受力性能進行分析，通過實驗得到結論有：①對于結構受力性能來說，和對稱回填土施工方式相比，非對稱回填土施工對其影響較為明顯，在回填土較高一側，無論是應力變化還是變形都比較明顯;②非對稱回填土較高一側的1/8跨徑處出現位移最大值，隨著土層的增加，較高一側出現的位移也隨之增加，較低一側的位移則隨之減小;③非對稱回填土較高一側的1/8跨徑和拱頂處出現應力最大，和較低一側相比，較高一側的應力變化比較明顯，其最大應力有從較高一側向較低一側移動的情況出現。

在對波紋鋼板拱進行回填土的時候，回填初期拱頂容易出現上拱現象，這是由于土體發生擠壓導致的，當回填土至拱頂的時候，會出現最大位移，此時雖然覆土波紋鋼板材料具有較強的變形適應性，但是在進行施工的時候，依然要對施工至拱頂和1/8跨徑處的變形進行嚴格監控，特別是拱頂處，由于此處是整個結構中最為薄弱的部位，因此比較容易因為應力作用發生變形。

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收稿日期：2020-01-08

作者簡介：程彬（1980-），男，漢族，新疆烏魯木齊人，大學本科，工程師，研究方向：橋梁。