土-钢相互作用下波纹钢板拱桥结构性能及抗震分析

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近些年来,在工程材料、几何结构以及施工工艺等方面不断创新的时代背景下,覆土波纹钢板拱桥替代传统中小跨径桥梁逐渐成为一种主流。本文通过有限元软件ABAQUS建立了一座跨径为13m的波纹钢板拱桥三维模型,利用生死单元对施工过程进行模拟,得到了不同填土高度下结构性能的变化规律。在此基础上,研究了土体压实度和板厚对结构性能的影响。最后,利用有限元手段分析了水平地震波作用下,波纹钢板拱桥的位移和等效应力响应。并进一步研究了钢板厚度和土体弹性模量对结构抗震性能的影响。具体结论如下:(1)当施工回填至拱顶时,结构受力和位移最为复杂,可能成为施工的主要控制阶段,应该密切关注。当填土高度超过拱圈时,继续增加填土高度可以使整体结构受力更加均匀。拱顶和拱桥1/8跨径处可以分别作为结构整体竖向位移和横向位移的控制截面,建议在拱脚和拱桥1/8跨径处布置横向和竖向土压力计,前者重点关注回填到拱顶之前的阶段,后者重点关注回填至拱桥1/8跨径之后的阶段。为避免覆土波纹钢板拱桥产生过大的应力集中,在回填至拱顶之前,建议选择拱脚波峰和波谷位置处进行实时监测,当回填超过拱顶后,建议选择拱脚波谷处、拱桥1/15跨径波峰和波谷处以及拱顶波峰处进行实时监测,确保施工过程的安全性。(2)在一定范围内,提高拱圈周围土体的压实度,对限制拱圈横向位移的效果明显高于竖向位移,且压实度越高,位移限制效果越突出;就土压力峰值限制效果而言,从85%压实度提升至90%压实度为最优;压实度的提高也显著降低了波纹钢板拱圈各施工阶段的等效应力峰值。且压实度越高,拱圈等效应力峰值变化越均匀。相较于回填土压实度对结构受力性能的影响,增加板厚对拱圈位移限制效果较弱,并不能充分展现波纹钢板拱桥“高柔性”的结构优势,也不利于土-钢相互作用的发挥。(3)在水平地震波作用下,波纹钢板拱桥的水平位移要远大于竖向位移,抗震分析中应该重点关注结构的水平位移。总体来说,结构在地震波作用下产生的动力响应峰值远小于静力分析中的峰值,充分说明了该结构出色的抗震性能。当土体弹性模量增大时,拱圈±5m、±3.5m和±2m处的等效应力限制效果较为明显,拱顶的等效应力几乎无变化。当土体弹性模量增大至25MPa再继续增大时,土体对拱顶处的约束作用比较明显。因此在抗震设计中建议采用弹性模量较高的回填材料或者提高土体压实度。除拱顶和拱脚外,其他位置的位移响应对于波纹板板厚变化表现出了较强的敏感性,但为了兼顾经济性和实用性,在设计过程中应该优先从波高方面考虑去提升结构的抗震性能。
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