基于ANSYS的桥梁回填过程模拟及结果分析

摘要：覆土波纹钢板小桥具有很多优点，其中之一是有良好的适应变形能力，需要注意的是，作为一种柔性拱形结构，需要注意采用的回填增筑方案。根据现有资料可以明确，现代研究人员在进行分析和研究的时候，是针对实验模型和实际工程进行的，并分别对回填工程的桥涵结构变形和内力进行测试，但是没有对能够影响回填施工结构力学的因素进行研究和分析。为了弥补这一空白，文章在结合实际工程的基础上使用有限元软件构建模型，然后对多种不同的回填方案进行计算，从而研究不同回填方案结构内力和结构变形对结构力学的影响，为其他研究人员研究相关内容提供参考。

关键词：桥梁;ANSYS;受力性能;回填施工

中图分类号：TU753;U44

文献标识码：A

文章编号：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

覆土波紋钢板结构桥涵具有很多优点，比如不会对环境造成污染、成本投入较低、能够应用的范围较广、工程进展较快等。因此，很多国家对其进行分析和研究，目前已经形成了比较成熟的施工技术和规范，从而取代了传统建筑技术。[1]随着国民经济的不断发展，中国在该领域对覆土波纹钢板结构的分析和研究十分紧迫，但由于中国对该类结构研究的时间相对较短，因此对受力特点等方面的研究还不够深入，特别是对开截面拱形结构的研究。[2-5]所以对覆土波纹钢板拱桥的土结作用规律和受力特点进行分析和研究十分必要。

文章在进行分析和研究时，是以实际工程为基础进行的，利用有限元软件构建相关模型，模拟多种回填方式，对施工时产生的结构应力进行分析和研究，并对其变化特点进行总结，从而弥补中国研究内容的空白，也为其他相关内容研究提供参考。

1有限元模型的建立

在进行波纹钢板拱桥的覆土施工时，如果从结构角度进行分析可以发现，其荷载并不是简单均匀分布的，由于和其结构接触较为紧密，因此会一起受到力的作用，也会一起发生形变，所以在进行覆土施工的时候，需要对结构和土体的影响作用进行分析和研究。由于该问题比较复杂，因此当时没有一个明确的解析手段。随着科学技术的发展和计算机技术的不断革新，开始使用有限元数值分析对其进行分析和研究，现在进行工程设计的时候，有限元软件已经成为了必备工具。在利用有限元模型对结果进行计算的，选择的结构参数和材料参数是十分重要，不同的参数会对计算结果产生影响。[6]

1.1参数选择

本文在对波纹板的截面特性进行计算的时候，选择使用的计算方法是积分方法，计算结果详见表1，选择的回填土为砂性土，30°为内摩擦角，30MPa为弹性模量;2.06x105MPa为材料的弹性模量。

1.2计算模型的建立

在进行设计和分析的时候，经常使用的模型是平面模型，该模型有很多优点，比如具有较快的运行速度、可以简单的进行建模等。对于本文研究的这种波纹钢板桥涵结构来说，由于和结构跨径相比，轴向长度要大很多，所以通常在构建这种空间结构的时候会采用圣维南原理进行构建，从而使构建的模型能够满足平面应变基本假定。该模型也同样存在一些缺点，比如无法根据实际情况加载活载形式、不能把真实波形引入其中等。

1.2.1选取单元

如果想要把模型简化，则需要以抗弯环向抗弯刚度相等原则为基础，从而使一定波形的钢板等效为平钢板，本文在对实际钢板受力情况进行研究和分析的时候，选择beam3二维梁单元进行模拟;上文已经阐述，在覆土的时候需要考虑互结作用，因此在构建模型的时候，需要让两侧土体长度满足一定条件，即为跨径的2.5倍[7]，在对土地进行模拟的时候，选择使用plane42二维实体单元进行模拟。

1.2.2结构和土体连接方式

根据相关研究资料可以明确，把结构和土的接触方式分为2种，一种是在土与结构之间加入接触单元，另一种则是节点耦合。第2种接触方式是当2个结构互相接触的时候，会存在一个公用节点，通过该节点，可以让2个结构紧密相连，当力传递的时候，也是通过这个节点进行的。假设在回填工程中，结构和土之间没有存在滑移，在此基础上对结构和土体之间的相互作用进行研究和分析，可以认为2个结构之间是通过第2种方式进行接触的。

1.2.3模拟施工

在回填土施工的时候，回填土不是一次性回填完毕的，而是1层1层回填的。因此用于研究和分析的模型也需要能够模拟出分层回填的功能。在本文使用的有限元软件中，如果想要模拟分层回填的功能，可以通过杀死/激活土体单元的方式实现。

1）杀死/激活土体单元，即二维实体单元plane42，让该模拟土体单元处于不被激活的状态，从而在计算的时候仅使用模拟拱的梁单元。在这种情况下，计算的结果是在没有回填土的时候，拱在自重作用状态下的结果。

2）让第1层回填土单元被激活，从而让模拟回填土的单元能够进行计算，然后继续加载，在这种情况下，计算的结果是进行第1层回填土之后的状态结果。

3）让第2层回填土单元被激活，继续进行计算。不断激活每一层回填土单元，直到所有层的回填土单元都被激活，并对每一层回填土之后的状态进行计算。

2回填过程模拟及结果分析

为了让本文所述设计研究更加精细，本文选择把回填土的过程进行划分，一共分为14个阶段，不同回填土阶段的填土高度详见表2所示。通过使用构建的模型，可以对回填土分层过程进行模拟，使用的方法是生死单元法[8]，首先需要根据不同层回填土的状态计算其应力和位移，然后对不同层回填土的状态进行分析和比较，找出最不利阶段之后，研究该阶段对结构受力性能的影响作用。

2.1对称回填施工结果分析

在进行对称回填土工程的时候，不仅荷载是对称的，结构也是对称的，因此在进行计算的时候，可以仅对半拱圈进行计算，从而获得不同阶段回填土状态产生的内力和位移。文中在表1的基础上选取了几个施-阶段，对从拱脚到拱顶的拱圈径向绝对位移进行计算，结果详见图1。

深入研究和分析图1可以明确，在1/8跨径结构的时候，当填土高度小于2.5m的时候，位移和填土高度呈正相关。当填土高度继续增加，到4.3m的时候，位移和填土高度呈负相关;在拱顶结构的时候，其位移变化和1/8跨相同，但是位移的方向不同，在增加填土高度的时候，产生的位移向上，即出现了反拱现象。图2（a）所示的是当填土高度为2.5m时的结构状态;图2（b）所示的是当填土高度为4.3m时的结构状态。深入研究和分析图2（b）可以明确，此时发生的变形趋势是两侧拱腰并没有向外凸出，拱顶则向内凹。之所以产生这种情况，可能的原因是使用有限元软件构建模型的时候，软件会对结构和土体的作用、回填分布进行考虑，从而使变形受到制约。在进行回填土施工的时候，当回填土高度为2.5m的时候会出现最大位移，位移值约为0.9min。

弯矩和轴力共同产生了拱圈的应力，则有公式：

（1）

在公式（1）中：波纹钢板截面抵抗矩用符号W表示，单位为m3;拱圈弯矩用符号M表示，单位为kN·m;波纹钢板横截面面积用符号A表示，单位为m2;拱圈轴力用符号N表示，单位为kN。

把二者相减，并定义其为拱圈最小应力（σmin），把二者相加，并定義其为拱圈最大应力（σmax）。通过对σmin和σmax进行分析和研究，可以对结构的截面应力变化进行分析和研究。图3（a）所示的是不同施工阶段拱圈最大应力，图3（b）所示的是不同施工阶段拱圈最小应力。

深入研究和分析图3（a）可以明确，在进行回填土施工的时候，当回填土高度为2.8m的时候，拱圈最大应力符号不仅有代表压应力的负号，还存在代表拉应力的正号。当回填土状态为拱顶和1/8跨径的时候，拱圈出现最大应力值，为正号，数值约为10MPa，对应回填土高度最小为2.2m，最大为2.5m;当回填土高度状态为拱脚的时候，拱圈出现最大应力值的最小值，对应回填土高度为4.3m。在进行施工的时候，结构1/8跨径最大应力从拉应力10MPa转化为压应力-20MPa。对应回填土高度为4.3m。

深入研究和分析图3（b）可以明确，在进行回填土施工的时候，拱圈最小应力都是代表压应力的负号。当回填土状态为拱脚和1/8跨径的时候，拱圈出现最小应力值的最大值;在进行回填土施工的时候，对应回填土高度最小为0.4m，最大为2.8m的时候，最小应力的最大值出现明显变化，最大值的位置从拱脚向1/8跨径处移动;对应回填土高度最小为3.7m，最大为4.3m的时候，最大值的位置从1/8跨径处向拱脚移动。由此可以明确，在进行回填土施工的时候，拱脚到1/8跨径之间是最薄弱的部位。

结合以上最大应力和最小应力情况可以明确，当回填土高度不大于2.8m的时候，拱圈截面同时存在两种力。当回填土状态为1/8跨径的时候，对应回填土高度为2.5m的时候，截面的最小应力约为-17MPa，最大应力约为10MPa，二者之间的差值为27MPa。当回填土高度不小于2.8m之后，拱圈截面仅存在一种力，即压应力。当回填土状态为1/8跨径的时候，对应回填土高度为4.3m的时候，截面的最小应力约为-2lMPa，最大应力约为-18MPa，二者之间的差值为3MPa。

通过以上论述能够明确，在进行回填土施工的时候，应力变化较大的状态是拱顶附近，如果结构是混凝土结构或者是圬工结构，在此应力下则容易出现开裂，而采用波纹钢板则可以在具有相同抗拉压能力的同时更好的适应这种应力变化，从而避免出现开裂的现象。

2.2非对称回填施工计算结果分析

通过对对称回填土施工进行研究和分析可以明确，结构出现最大应力和位移时，是回填土填到拱顶的时候。现在本文将对一种比较特殊的情况进行研究和分析，即在拱顶的回填是非对称回填，并对这种情况下的结构应力和位移变化进行分析和研究。在进行分析的时候，以回填土高度为2.2m和2.5m为基准。在其一侧的回填土高度增加40cm，另一侧增加20cm.详见图4。

由于进行回填土施工时采用的是非对称回填，因此导致了荷载分布不是均匀的。所以不能取半个拱圈进行研究和分析，而是需要对整个拱圈进行分析。图5（a）所示的是回填土高度为2.2m时产生的位移变化，图5（b）所示的是回填土高度为2.5m时产生的位移变化，

深入研究和分析以上图5可以明确，结构位移受非对称回填的影响很大。在回填土较高一侧的1/8跨径处，出现了位移最大值，详见图6。深入研究和分析图6可以明确，和本文之前的计算结果相比，图6的形变趋势基本相同，也是在荷载小的一侧有外凸的拱圈，在荷载大的一侧有内凹的拱圈。但是和本文之前的计算结果相比，还存在不同之处，其不同点在于有限元模型对结构变形的约束。从而图5 （a）和图5（b）可以看出，在填土较低一侧，结构位移会持续性减小，在填土较高的一侧，结构位移会持续性增加;在填土较低一侧，位移在拱脚到1/4跨径间变化比较明显，当回填土高度为2.2m和回填土高度为2.2+0.4m的，其产生的位移之间的差约为3倍;当不对称性继续增加的时候，会继续增加不对称回填土两侧的位移差值。

3结语

文章在进行研究和分析的时候，采用有限元软件进行研究，分别对两种回填土施工方式中结构受力性能进行分析，通过实验得到结论有：①对于结构受力性能来说，和对称回填土施工方式相比，非对称回填土施工对其影响较为明显，在回填土较高一侧，无论是应力变化还是变形都比较明显;②非对称回填土较高一侧的1/8跨径处出现位移最大值，随着土层的增加，较高一侧出现的位移也随之增加，较低一侧的位移则随之减小;③非对称回填土较高一侧的1/8跨径和拱顶处出现应力最大，和较低一侧相比，较高一侧的应力变化比较明显，其最大应力有从较高一侧向较低一侧移动的情况出现。

在对波纹钢板拱进行回填土的时候，回填初期拱顶容易出现上拱现象，这是由于土体发生挤压导致的，当回填土至拱顶的时候，会出现最大位移，此时虽然覆土波纹钢板材料具有较强的变形适应性，但是在进行施工的时候，依然要对施工至拱顶和1/8跨径处的变形进行严格监控，特别是拱顶处，由于此处是整个结构中最为薄弱的部位，因此比较容易因为应力作用发生变形。

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收稿日期：2020-01-08

作者简介：程彬（1980-），男，汉族，新疆乌鲁木齐人，大学本科，工程师，研究方向：桥梁。