高填方涵洞结构型式优化设计研究
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３ ２ 盖板 涵的盖板铰 结与刚结受力特性分析 ．
（） １ 涵洞 的受力特性 。 在分析涵洞 的受力特性时可 以把施工过程分为未填土 、
又被称为 目 函数 ， 标 是指评 价一个设计 方案优劣性 的标 准 。性能指标 主要包括结 构的重量 、 载能力 、 程造价 以 承 工 及变形误 差最小和 自振周期最大 。 １３ 约束条件 ． 在进行结构的优化设计时， 约束条件是必须满足的条 件， 其所反映的是设计相 关 的技 术规 范、 计算 规程 以及施工 安装 、 运输 和构造等各方 面的具 体要求 ， 时工程设计 者 的 有 设计 意图也通过约束条件来 反映。约束条件包 括应 力约束 、 动力 特性约束 、 稳定约束 以及位移约束和 以可靠性为前提 的 结构优化 。 ２ 有限元计算数值分析 ２ １ 有限元计 算软件 简述 ． 本文进行有限元计算所采用的软件为 Ａ ｓ ， ｎｙ 其是集流 ｓ 体、 声场、 结构及电磁场与耦合场的分析为一体的通用有限 元分析软件 ， 以实现 和大多 数 Ｃ Ｄ软 件 的数据共享 及交 可 Ａ 换 。该软件标 准分析过程共分为 三个步骤 ： 建立有限元分析 模型、 施加荷载和边界条件并进行计算求解、 提取和分析计 算结果。有限元模型的建立主要在前处理器中完成 ， 而荷载 施加、 边界条件以及计算求解则在求解器中完成， 提取和分 析结果则在时间历程后处理器 中实现 。
１ ２ 价 值 函数 ． ．
影响互 相关联 ， 我们称之为涵土结构 。涵洞的涵身结构受到 土荷载作用会产生变 形 ， 同时其 变形又受 到土层 的约 束 ， 但 周 围的土体 以抗力形式与涵身结构相互作用 ， 从而涵身周 围 的土应力受其作用结 果的影 响进行重 新分布。所 以假定抗 力和变形相适应 ， 则可 以利用涵身 和土体变形 的条件 ， 涵 将 洞结构 内力直接推导 出来 。
收稿 日期 ：Βιβλιοθήκη Baidu １ ５—２ ２ １ －０ ７
涵侧填土 以及涵顶填土等几个 阶段 ， 而涵顶填土又可以分 为 填土 ５ｍ １ １ 、 ｍ、 ｍ及 ２ 等四个 阶段 。利用有 限元程序 ０ ５ ０ ｍ 软件 中的后处理功能 ， 将涵洞 结构 的内力 提取 出来 ， 再把优 化理论引入其中， 通过分析后， 结构受力特性控制 目标确定 为弯矩 。 （） ２ 结果分析。 ①盖板分析。 盖板的铰结和刚结对盖板跨 中和端部弯矩有着直接的影 响 ， 以结构受力特性的分析控制 因素可以选择跨 中和端部的 所 弯矩 。在各施工阶段 ， 只有在完成涵侧填土时 ．０ 冈结和铰结的跨 中弯矩比值较小， ２．５其他过程均大于 ４ ％， 以由此可 为 ９８， ｏ 所 见， 盖板刚结可以使得盖板结构跨中弯矩 明 显降低。 ②底板分析。 施工过程中盖板 铰结与刚结 时 ， 底板的弯矩 图形状 比较 接近 ， 以将底板受力特性的控制 因素确定 为底板跨 中弯矩 可 与端部弯矩。施工过程 中盖板 铰结涵洞 结构底板跨 中负弯 矩要小于盖板 刚结 ， 填土初期 二者差距较 小 ， 不过 填土高度 越高， 则盖板刚结底板跨中负弯矩和铰结负弯矩的比值就越 大。盖板 刚结 时 ， 端部 的弯矩 要小 于盖板铰结 时底板 底板 端部的弯矩 。 ③涵 身分析 。 在施 工过程 中 ， 涵洞结构 中涵身的弯矩为 ： 铰结时 ， 盖板 涵身顶部并不存在 弯矩 ， 而涵身 的底部则有 正弯矩 ； 当盖板 与涵 身刚结时 ， 涵身底部与顶部均有正弯矩。在进行分层填 土施工 时， 与涵身铰结 ， 盖板 涵身上部则有负弯矩存在 ， 当盖 刚与涵身刚结 ， 了完成 涵侧填 土时涵身 中部 有负弯矩 ， 除 其 他的阶段 涵身均受 到正 弯矩 的作用 。由些可见 ， 盖板刚结对 涵身的受力特性有所改 善。 ３３ 底板 为仰 拱形式盖板铰 结与刚结受力特性分析 ． （） １确定几何模 型和计算参数 。 （ 下转第 ２１ ３ 页）
２１ 年 第 １ 期 ０１ ０ （ 总第 ２２ ） １期
黑龙江交通科技
ＨＥＬＯＮＧＪＡＮＧ Ｉ Ｌ Ｉ ＪＡＯＴ ＯＮＧ Ｊ ＫＥ
Ｎｏ １ ２ １ ． ０，０１
（ ｕ ｏ ２ ２ Ｓ ｍ Ｎ ．１ ）
高填 方 涵 洞结构 型式 优化 设 计研 究
邓勇邦
（ 新疆公 路规划勘察设计研究院 ） 摘 要： 在分析优化设计三要素 的基础上 ， 针对高填方涵洞结构 型式 进行有 限元计算 数值分析 ， 并提 出涵土
共同作用结构优化设计方案 。 关键词 ： 高填方涵洞 ； 结构 型式 ； 优化设计
中图分 类号 ：４ ２ Ｕ４ １ 优化设计要素 １１ 设 计 变量 ． 文献标识码 ： Ｃ 文章编号 ： ０ ３ ８ （０ １ １ ０ ２ ０ １ ８— ３ ３ ２ １ ）０— ２ ９— １ ０
个结构体 系 ， 该结构体 系变形 与受 力互相协 调 ， 彼些 间互相
２ ２ 选择 几 何 模 型 ．
如果几何模型的计 算范 围选 择不 当会直接 导致计 算结 果 出现偏差 ， 真实的受力 变形 就无 法被真 实的反 映 出来 ， 浪 费 了计算资源。考虑到地基土在填土之前存在初始地应力 ， 假设填土前地基水 平 ， １ 取 ０ｍ的地基 土作为 计算范 围下边 界， 且边界上竖直方 向 的位 移为 ０ 规 范 中规 定 了涵洞 缺 口 ； 的范 围， 由于缺 口外侧填 土先 于涵 洞周 围填 土 ， 因此形 成 了 人为的倒梯形边界条件。 ３ 涵 土共 同作用的结构优 化 ３ １ 涵土结构共 同作用原理及 数值 分析 ． 涵洞和其周 围的填 土、 基 以及 基础共 同作用 ， 成一 地 构
通常若干个数量 描述 一个 结 构设 计方 案 ， 照实 际情 按 况， 描述结构 的数量有可 能是构件 的面积 、 面尺寸或 者惯 截 性矩等几何参数 ， 也有可能是结构整体相关参数或者结构材
料相关参数等。通常优化设计变量个数越少 ， 则结构 优化过 程就越简单 ， 反之则 比较 复杂 。不过 由另 一方 面来 看 ， 变量 个数越多 、 自由度越大 ， 所得到 的优化结果就越好 。因此 ， 设 计者在选择优化参数 时要尽可 能选择对 其结果 影响较大 的 数量作设计变量 ， 计变量的数 目选择也要科 学 、 设 合理。
（） １ 涵洞 的受力特性 。 在分析涵洞 的受力特性时可 以把施工过程分为未填土 、
又被称为 目 函数 ， 标 是指评 价一个设计 方案优劣性 的标 准 。性能指标 主要包括结 构的重量 、 载能力 、 程造价 以 承 工 及变形误 差最小和 自振周期最大 。 １３ 约束条件 ． 在进行结构的优化设计时， 约束条件是必须满足的条 件， 其所反映的是设计相 关 的技 术规 范、 计算 规程 以及施工 安装 、 运输 和构造等各方 面的具 体要求 ， 时工程设计 者 的 有 设计 意图也通过约束条件来 反映。约束条件包 括应 力约束 、 动力 特性约束 、 稳定约束 以及位移约束和 以可靠性为前提 的 结构优化 。 ２ 有限元计算数值分析 ２ １ 有限元计 算软件 简述 ． 本文进行有限元计算所采用的软件为 Ａ ｓ ， ｎｙ 其是集流 ｓ 体、 声场、 结构及电磁场与耦合场的分析为一体的通用有限 元分析软件 ， 以实现 和大多 数 Ｃ Ｄ软 件 的数据共享 及交 可 Ａ 换 。该软件标 准分析过程共分为 三个步骤 ： 建立有限元分析 模型、 施加荷载和边界条件并进行计算求解、 提取和分析计 算结果。有限元模型的建立主要在前处理器中完成 ， 而荷载 施加、 边界条件以及计算求解则在求解器中完成， 提取和分 析结果则在时间历程后处理器 中实现 。
１ ２ 价 值 函数 ． ．
影响互 相关联 ， 我们称之为涵土结构 。涵洞的涵身结构受到 土荷载作用会产生变 形 ， 同时其 变形又受 到土层 的约 束 ， 但 周 围的土体 以抗力形式与涵身结构相互作用 ， 从而涵身周 围 的土应力受其作用结 果的影 响进行重 新分布。所 以假定抗 力和变形相适应 ， 则可 以利用涵身 和土体变形 的条件 ， 涵 将 洞结构 内力直接推导 出来 。
收稿 日期 ：Βιβλιοθήκη Baidu １ ５—２ ２ １ －０ ７
涵侧填土 以及涵顶填土等几个 阶段 ， 而涵顶填土又可以分 为 填土 ５ｍ １ １ 、 ｍ、 ｍ及 ２ 等四个 阶段 。利用有 限元程序 ０ ５ ０ ｍ 软件 中的后处理功能 ， 将涵洞 结构 的内力 提取 出来 ， 再把优 化理论引入其中， 通过分析后， 结构受力特性控制 目标确定 为弯矩 。 （） ２ 结果分析。 ①盖板分析。 盖板的铰结和刚结对盖板跨 中和端部弯矩有着直接的影 响 ， 以结构受力特性的分析控制 因素可以选择跨 中和端部的 所 弯矩 。在各施工阶段 ， 只有在完成涵侧填土时 ．０ 冈结和铰结的跨 中弯矩比值较小， ２．５其他过程均大于 ４ ％， 以由此可 为 ９８， ｏ 所 见， 盖板刚结可以使得盖板结构跨中弯矩 明 显降低。 ②底板分析。 施工过程中盖板 铰结与刚结 时 ， 底板的弯矩 图形状 比较 接近 ， 以将底板受力特性的控制 因素确定 为底板跨 中弯矩 可 与端部弯矩。施工过程 中盖板 铰结涵洞 结构底板跨 中负弯 矩要小于盖板 刚结 ， 填土初期 二者差距较 小 ， 不过 填土高度 越高， 则盖板刚结底板跨中负弯矩和铰结负弯矩的比值就越 大。盖板 刚结 时 ， 端部 的弯矩 要小 于盖板铰结 时底板 底板 端部的弯矩 。 ③涵 身分析 。 在施 工过程 中 ， 涵洞结构 中涵身的弯矩为 ： 铰结时 ， 盖板 涵身顶部并不存在 弯矩 ， 而涵身 的底部则有 正弯矩 ； 当盖板 与涵 身刚结时 ， 涵身底部与顶部均有正弯矩。在进行分层填 土施工 时， 与涵身铰结 ， 盖板 涵身上部则有负弯矩存在 ， 当盖 刚与涵身刚结 ， 了完成 涵侧填 土时涵身 中部 有负弯矩 ， 除 其 他的阶段 涵身均受 到正 弯矩 的作用 。由些可见 ， 盖板刚结对 涵身的受力特性有所改 善。 ３３ 底板 为仰 拱形式盖板铰 结与刚结受力特性分析 ． （） １确定几何模 型和计算参数 。 （ 下转第 ２１ ３ 页）
２１ 年 第 １ 期 ０１ ０ （ 总第 ２２ ） １期
黑龙江交通科技
ＨＥＬＯＮＧＪＡＮＧ Ｉ Ｌ Ｉ ＪＡＯＴ ＯＮＧ Ｊ ＫＥ
Ｎｏ １ ２ １ ． ０，０１
（ ｕ ｏ ２ ２ Ｓ ｍ Ｎ ．１ ）
高填 方 涵 洞结构 型式 优化 设 计研 究
邓勇邦
（ 新疆公 路规划勘察设计研究院 ） 摘 要： 在分析优化设计三要素 的基础上 ， 针对高填方涵洞结构 型式 进行有 限元计算 数值分析 ， 并提 出涵土
共同作用结构优化设计方案 。 关键词 ： 高填方涵洞 ； 结构 型式 ； 优化设计
中图分 类号 ：４ ２ Ｕ４ １ 优化设计要素 １１ 设 计 变量 ． 文献标识码 ： Ｃ 文章编号 ： ０ ３ ８ （０ １ １ ０ ２ ０ １ ８— ３ ３ ２ １ ）０— ２ ９— １ ０
个结构体 系 ， 该结构体 系变形 与受 力互相协 调 ， 彼些 间互相
２ ２ 选择 几 何 模 型 ．
如果几何模型的计 算范 围选 择不 当会直接 导致计 算结 果 出现偏差 ， 真实的受力 变形 就无 法被真 实的反 映 出来 ， 浪 费 了计算资源。考虑到地基土在填土之前存在初始地应力 ， 假设填土前地基水 平 ， １ 取 ０ｍ的地基 土作为 计算范 围下边 界， 且边界上竖直方 向 的位 移为 ０ 规 范 中规 定 了涵洞 缺 口 ； 的范 围， 由于缺 口外侧填 土先 于涵 洞周 围填 土 ， 因此形 成 了 人为的倒梯形边界条件。 ３ 涵 土共 同作用的结构优 化 ３ １ 涵土结构共 同作用原理及 数值 分析 ． 涵洞和其周 围的填 土、 基 以及 基础共 同作用 ， 成一 地 构
通常若干个数量 描述 一个 结 构设 计方 案 ， 照实 际情 按 况， 描述结构 的数量有可 能是构件 的面积 、 面尺寸或 者惯 截 性矩等几何参数 ， 也有可能是结构整体相关参数或者结构材
料相关参数等。通常优化设计变量个数越少 ， 则结构 优化过 程就越简单 ， 反之则 比较 复杂 。不过 由另 一方 面来 看 ， 变量 个数越多 、 自由度越大 ， 所得到 的优化结果就越好 。因此 ， 设 计者在选择优化参数 时要尽可 能选择对 其结果 影响较大 的 数量作设计变量 ， 计变量的数 目选择也要科 学 、 设 合理。