应用于金属波纹管通道预拱度控制值的分析方法与流程

本发明涉及波纹管安装技术，特别是应用于金属波纹管通道预拱度控制值的分析方法。
背景技术：
：金属波纹管通道作为一种新型的结构物，具有自重轻、施工简单、对地基扰动小的优点。考虑金属波纹管通道使用性能和耐久性及养护费用，在相同的使用年限内进行全面的经济分析比较，金属波纹管通道几乎不需要养护，工程实际造价比同类跨径的桥、涵洞相近或较低，更经济合理。金属波纹管通道以其实用性、经济性、环保性等优点在国内外越来越广泛地被人们认识和使用，但在广西区内高速公路采用金属波纹管通道非常少见。对波纹管通道的施工质量控制也少有工程经验。为保证金属波纹管通道建成后的线性满足设计线性要求，需要在施工过程中对其进行预拱度设计。现有的预拱度值计算方法有经验法、抛物线法，但以上方法均没有根据管体通道上的荷载和基础强度进行计算分析，在成型的线型存在误差较大的情况。技术实现要素：本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种应用于金属波纹管通道预拱度控制值的分析方法，确定预拱度时依据管体上部荷载变化进行整体计算，对于荷载变化区间具有更好的针对性和精确性。为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：应用于金属波纹管通道预拱度控制值的分析方法，包括以下内容：s1、计算获取金属波纹管管体结构截面特性ix参数，获取对管体垂直压力pi参数，以及获取单位体积基础土体线刚度kij参数及其初次计算结果ki1；s2、基于ix参数、pi参数、kij参数及ki1，利用有限元进行拟合计算，迭代计算第n+1次预拱度δin+1，直至第n次预拱度与第n+1次预拱度的误差小于δ0；s3、将第n次预拱度δin作为最终的预拱度控制值。其中，金属波纹管管体结构截面特性ix参数的计算公式如下述公式1，ix＝πd4(1-α4)/64(1)其中，α＝d/d，d为通道管体截面内径，d为通道管体截面外径；通过公式1计算得到波纹管管体截面的ix参数，包括管体大截面ix-max和管体小截面ix-min。对管体垂直压力pi参数，根据管体截面上方土体重度，通过下述公式2计算得到，pi＝si×γ(2)其中，γ为土体重度，si为通道管体i截面上方土体面积，d为通道管体截面外径，i为截面号，i＝1、2、3...n。定义单位体积的基础土体为弹簧单元，则每个弹簧单元线刚度kij通过下述公式3计算得到，kij＝ea/lij(3)其中，kij即为单位体积基础土体线刚度，e为基础材料的弹性模量，a为单位体积基础土体的受压面积，lij为土体荷载影响厚度，i为基础土体节段号，j为计算次数，j＝1、2、3...n；第n+1次土体荷载影响厚度lin+1由第n次预拱度δin加上第n次土体荷载影响厚度lin得到。步骤s2的具体内容如下：2.1、将ix参数、pi参数及ki1带入有限元软件midascivil进行拟合计算，提取首次预拱度结果δi1；2.2、根据首次预拱度结果，计算得到单位体积基础土体线刚度的第二次计算结果ki2；2.3、将ix参数、pi参数及ki2带入有限元软件midascivil进行拟合计算，提取第二次预拱度结果δi2；2.4、计算首次预拱度结果δi1与第二次预拱度结果δi2的误差，若是误差均小于δ0则执行下述步骤s3；否则，重复步骤2.2-步骤2.4，基于ix参数、pi参数及kin+1参数迭代计算第n+1次预拱度δin+1，直至第n次预拱度与第n+1次预拱度的误差均小于δ0，再执行下述步骤s3。步骤s2中，第n次预拱度与第n+1次预拱度的误差的阈值δ0＝2cm。由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：1、采用公式对管体的截面特性进行计算、对管体外部荷载进行统计、对基础强度进行等效拟合，对于荷载变化区间具有更好的针对性和精确性；2、利用有限元分析软件进行计算处理，提高计算效率；3、采用迭代法计算提高管体预拱度精度。附图说明图1是本发明管体截面示意图。图2是本发明管体上方土体示意图。图3是本发明单位体积基础土体分段示意图。图4是图3所对应的弹簧单元示意图。图5是本发明实施例1土体分布图。图6是本发明实施例2土体分布图。具体实施方式以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。应用于金属波纹管通道预拱度控制值的分析方法，包括以下内容：步骤s1、计算获取金属波纹管管体结构截面特性ix参数，获取对管体垂直压力pi参数，以及获取单位体积基础土体线刚度kij参数及其初次计算结果ki1。具体内容如下：参见图1，给出了管体截面示意图，金属波纹管管体结构截面特性ix参数，按照截面计算特性计算公式计算出，管体截面特性计算管体最大和最小截面；金属波纹管管体结构截面特性ix参数的计算公式如下述公式1，ix＝πd4(1-α4)/64(1)其中，α＝d/d，d为通道管体截面内径，d为通道管体截面外径。根据公式1计算得到波纹管管体截面的ix参数，包括管体大截面ix-max和小截面ix-min。参见图2，给出了管体上方土体示意图，可通过施工图纸等统计管体垂直压力，根据管体截面上方土体重度，通过下述公式2计算得到对管体垂直压力pi参数，pi＝si×γ(2)其中，γ为土体重度，si为通道管体i截面上方土体面积，d为通道管体截面外径，i为截面号，i＝1、2、3...n。参见图3及图4，给出了单位体积基础土体分段示意图及对应的弹簧单元，定义单位体积的基础土体为弹簧单元，则每个弹簧单元线刚度kij通过下述公式3计算得到，由此可得到初次计算结果ki1，kij＝ea/lij(3)其中，kij即为单位体积基础土体线刚度(以土体荷载最大点为基础计算)，e为基础材料的弹性模量，a为单位体积基础土体的受压面积，lij为土体荷载影响厚度，i为基础土体节段(前述截面对应的节段)号(i＝1、2、3...n)，j为计算次数，j＝1、2、3...n。其中，土体荷载影响厚度lij，依据土力学分层总和法计算沉降，一般取附加应力σz等于自重应力σcz的0.2倍的深度作为计算深度限值。在矩形面积中点下，土的附加应力σz＝α0p，自重应力σcz＝γ1z。其中，z为基础深度，α0为应力系数(查询《土质学与土力学》(第四版)人民交通出版社表4-8)，γ1为基础土体重度。步骤s2、基于ix参数、pi参数、kij参数及ki1，利用有限元进行拟合计算，依次迭代计算第n+1次预拱度δin+1，直至第n次预拱度与第n+1次预拱度的误差小于δ0。具体步骤如下：2.1、将ix参数、pi参数及ki1带入有限元软件midascivil进行拟合计算，提取首次预拱度结果δi1。2.2、根据首次预拱度结果，计算得到单位体积基础土体线刚度(管底支撑特性)的第二次计算结果ki2。先将δ1i与li1相加得到li2，再将li2代入公式3中，计算得到第二次计算结果ki2。2.3、将ix参数、pi参数及ki2带入有限元软件midascivil进行拟合计算，提取第二次预拱度结果δi2。2.4、比较计算首次预拱度结果δi1与第二次预拱度结果δi2的误差，若是误差均小于δ0(∣δi1-δi2∣＜δ0)则执行下述步骤s3。否则，重复步骤2.2-步骤2.4，基于ix参数、pi参数及kin+1参数迭代计算第n+1次预拱度δin+1，直至第n次预拱度与第n+1次预拱度的误差均小于δ0(∣δin-δin+1∣＜δ0)，再执行下述步骤s3。其中，第n次预拱度与第n+1次预拱度的误差的阈值δ0＝2cm。第n+1次土体荷载影响厚度lin+1由第n次预拱度δin加上第n次土体荷载影响厚度lin得到，再根据公式3得到kin+1。步骤s3、根据前述误差比较结果，将第n次预拱度δin作为最终的预拱度控制值。下述将结合具体运算实例继续说明。实施例1参见图5，给出了实施例1土体分布图。钢波纹管管长82.08m，坡率3％；波纹管外径6.0m，壁厚7mm，管片波高14cm、波长38cm。管片分节段(54段×1.52m)；涵洞顶部填土最大高度为16.65m，土体重度为17kn/m3，土体分布如图算1-1所示；基底为级配碎石，级配碎石弹性模量为450kn/m2。具体计算过程如下：(1)计算出金属波纹管管体结构截面特性ix参数d＝6m，d＝5.986m，波高0.14mα大＝5.986/6＝0.99767ix大＝π×64×(1-0.997674)/64＝0.59m4α小＝5.706/5.72＝0.99755ix小＝π×5.724×(1-0.997554)/64＝0.51m4(2)计算控制截面的土体荷载土体荷载情况见下表1.1。表1.1：土体荷载表截面位置(m)面积si(m2)重度(kn/m2)荷载(kn/m)015.4514171576.04316.5569.7514177114.64318.0569.5114177090.16330113.43141711570.00056109.59141711178.32068.1161.3514176257.84369.6161.1114176233.36382.0815.4514171576.043(3)计算出每个弹簧单元的线刚度(以土体荷载最大点为基础计算)土体荷载影响情况见下表1.2。表1.2：土体荷载影响表可见，土体荷载影响厚度为li1＝7.6m。所以，根据公式3得出，ki1＝540000kn/m。(4)将前述得到的ix参数、pi参数、ki1参数带入有限元软件midascivil进行拟合计算，提取首次预拱度结果δi1，见下表1.3。表1.3：首次预拱度结果表(5)计算得到第二次单位体积土体线刚度ki2，见下表1.4。表1.4：第二次土体线刚度表(6)再将ix参数、pi参数和ki2代入有限元软件，拟合计算，提取第二次预拱度计算结果δi2，见下表1.5。表1.5：第二次预拱度表比较计算第一次预拱度和第二次预拱度，第二次与第一次预拱度最大差值为0.015cm<2cm，停止迭代。(7)由比较结果可知，δi1即为最终预拱度。实施例2参见图6，给出了实施例3土体分布图。钢波纹管管长58m，坡率3％；波纹管外径4.0m，壁厚5.5mm，管片波高6.4cm、波长23cm。管片分节段(46段×1.26m)；涵洞顶部填土最大高度为9.26m，土体重度为17kn/m3，土体分布如图算2-1所示；基底为级配碎石，级配碎石弹性模量为450kn/m2。(1)计算出金属波纹管管体结构截面特性ix参数d＝4m，d＝3.989m，波高0.064mα大＝3.989/4＝0.99725ix大＝π×44×(1-0.997254)/64＝0.1377m4α小＝3.861/3.872＝0.99716ix小＝π×3.8724×(1-0.997164)/64＝0.1248m4(2)计算控制截面的土体荷载土体荷载情况见下表1.1。表1.1：土体荷载表截面位置(m)面积si(m2)重度(kn/m2)荷载(kn/m)01.71681729.185612.7837.516817637.785643.5138.756817658.865659.961.71681729.1856(3)计算出每个弹簧单元的线刚度(以土体荷载最大点为基础计算)土体荷载影响情况见下表1.2。表1.2：土体荷载影响表zz/bα0σzσczσz/σcz001164.700.2520.20.977160.9124.28437.560.5040.40.879144.7718.56816.900.7560.60.748123.19612.8529.591.0080.80.627103.26717.1366.031.2610.52486.30321.4204.031.5121.20.44272.79725.7042.831.7641.40.37661.92729.9882.072.0161.60.32253.03334.2721.552.2681.80.27845.78738.5561.192.5220.23739.03442.8400.913.152.50.17428.65853.5500.543.7830.13021.41164.2600.334.413.50.10016.47074.9700.225.0440.08013.17685.6800.15可见，土体荷载影响厚度为li1＝5.04m。所以，根据公式3得出，ki1＝450000kn/m。(4)将前述得到的ix参数、pi参数、ki1参数带入有限元软件midascivil进行拟合计算，提取首次预拱度结果δi1，见下表1.3。表1.3：首次预拱度结果表(5)计算得到第二次单位体积土体线刚度ki2，见下表1.4。表1.4：第二次土体线刚度表(6)再将ix参数、pi参数和ki2代入有限元软件，拟合计算，提取第二次预拱度计算结果δi2，见下表1.5。表1.5：第二次预拱度表比较计算第一次预拱度和第二次预拱度，第二次与第一次预拱度最大差值为0.001cm<2cm，停止迭代。(7)由比较结果可知，δi1即为最终预拱度。如前述，相对于现有的抛物线法只确定了最大值，而没有对管体荷载进行统计分析。本发明的预拱度依据管体上部荷载变化进行整体计算，对于荷载变化区间具有更好的针对性和精确性。具有以下优点：1、采用公式对管体的截面特性进行计算、对管体外部荷载进行统计、对基础强度进行等效拟合，对于荷载变化区间具有更好的针对性和精确性；2、利用有限元分析软件和excel统计表格进行计算处理，提高计算效率；3、采用迭代法计算提高管体预拱度精度。需要指出的是，前述实施例1和实施例2中，序号(1)至(3)的排列顺序只是作为一示例，ix参数、pi参数及ki1参数的计算顺序可以根据实际情况合理安排。上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。当前第1页12