工程結構分析論文匯總十篇

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦十篇工程結構分析論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

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2結構地震響應分析常用的方法

2.1振型分解反應譜法

振型分解反應譜法的原理：該方法分解其結構單自由度體系的振型以及反應譜。根據此法，地震效應中的多自由度體系特性得到了求解。該法把結構的動力效應數值化，通過地震反應譜來推算出結構在地震作用下的行為。反應譜曲線反映的是周期及反應的關系曲線。我國現行的抗震規范中，計算單向水平地震響應時，采用的是振型分解反應譜法。規范中對兩個主軸方向均施加地震作用，同時組合雙向水平地震的響應（即是組合其中一個方向百分之一百的值與另一方向百分之八十五值的平方根）。從此可知，抗震性能的要求在規范中越來越高。振型分解反應譜法廣泛的應用在實際工程中，下面介紹一下其優缺點。優點：⑴振型分解反應譜法的優點在于其結合廣義地震的強度、動力特征、場地以及震中距一起考慮，研究相互之間的關系。自1950年開始，該方法就廣泛應用于各國建筑抗震規范中，同時也是我國結構抗震設計規范中地震作用所采用的分析方法以及計算理論基礎。⑵該方法的反應譜的繪制是由國內外大量的記錄最大地震響應在結構單質點體系中的行為計算而來的。從統計理論角度來說，該方法能夠較為準確的算出結構在其使用期內收到地震的最大反應，在定量角度而言上較為準確可靠。這就是反應譜法尤為突出的優點。缺點：盡管反應譜法的理論比較成熟而且簡單易懂。然而，局限性來源于其本質，使其有著如下不足之處：⑴盡管反應譜法綜合考慮了結構動力特征所產生的共振效應，但目前的設計工作中依然將地震的慣性力當做是靜力來處理，因此，反應譜理論在目前來說是準動力理論而非準確的動力理論；⑵振幅、頻譜和持續時間作為地震動力效應的三要素，在利用振型分解反應譜法作分析的過程中僅僅考慮了振幅和頻譜，未能真實的反映地震動力效應持續的時間對結構破壞程度的影響，而這種影響恰恰是至關重要的；⑶反應譜理論的適用范圍是結構在彈性階段的地震效應。結構整體最不利的地震效應在彈塑性階段中的體現能夠用該法粗略地推算出，結構在整個地震過程的效應則無法體現。同時地震過程中各關鍵構件在彈塑性變形階段的應力以及變形狀態也無法反映出來，因而也無法找出地震作用下結構的薄弱環節。因此學者們可以把尋找彌補該法缺陷的方法作為今后的研究方向。

2.2時程分析法

時程分析法作為新型的抗震分析方法，開始于1960年，并逐步發展起來。其主要用于研究高層以及超高層建筑的抗震性能分析。該方法作為有效的分析方法，在1980已廣泛應用于抗震設計規范或規程中。地震波利用時程分析法，按照時間段進行數值化后，再在整個結構體系的振動微分方程中將其帶入，采用逐步積分法對結構在彈塑階段的動力反應進行分析，求解結構在整個強震時間以及空間區域中的動力狀態全過程，得出任意桿件在任意時刻的內力和變形以及出現塑性鉸的順序。地震動相關參數需要輸入到時程分析法中，該參數是能反映場地的真實情況以及具有統計意義的加速度時程曲線。結構體系的動力模型綜合考慮了結構的非線性恢復力特征。與振型分解反應譜法相比較，時程分析方法更加接近實際情況。因而時程分析方法具有如下特點：⑴將地震力數值化，轉化為地震動加速度時程曲線輸入，對結構進行地震反應效應的分析，能較為全面地考慮了強震作用的三要素；⑵結構的動力性質是利用結構在彈塑階段的整個過程恢復力特征曲線來體現，從而能夠比較準確地體現結構地震響應；⑶能夠得到結構在整個強震時間以及空間區域中的動力狀態全過程，得出任意桿件在任意時刻的內力和變形以及出現塑性鉸的順序，從而可判定結構的屈服機制。

2.3靜力彈塑性（Pushover）分析

靜力彈塑性（Pushover）分析主要研究方向是研究罕遇地震力作用下，結構體系的地震效應。該法是基于抗震性能設計方法，評價結構體系在大震作用下，是否滿足“結構不倒塌，重要構件不嚴重受損”的抗震性能目標。本文根據Pushover的基本計算原理進行簡要的介紹，并就其在工程實例中的應用展開討論。對高層建筑結構來說，該法是一種可行的簡化分析方法。其計算過程如下：⑴建立模型、內力分析和配筋。利用程序，求出結構構件在我國現行規范中規定的荷載工況下的內力并配筋。內力分析時，梁、柱利用框架單元進行模擬,現澆板用殼單元進行模擬,模擬框架的計算簡圖如圖1所示。⑵塑性鉸的定義和設置。SAP2000可以在任意構件的任意部位布置任意數量的塑性鉸（彎矩、剪力以及軸力）。各種塑性鉸的本構模型如圖2所示。⑶側向加載模式以及輸出模型結果。

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0前言

程結構跨度變得越來越大，結構的動力特性也就顯得越來越重要，因此結構設計帥和上程技術人員也對它更加重視。方面，通過對結構動力特性優化設計，使結構處于良好的上作狀態，保證了結構的安全可靠性，延長了結構的使用周期和減少了對環境的廠幾擾:另一方而，通過結構的動力特性可了解復雜結構的結構性能和技術性能，從而作出科學的技術評定。運用結構動力特性解決程實際問題，需要有個橋梁—近20余年迅速發展起來的模態分析技術。模態分析是結構動特性分析的，種手段，通過分析L.程結構的模態特性可建立結構在動態激勵條件下的響應，預測結構在實際五作狀態下的工作行為及其對環境的影響。

1模態分析理論

1.l模態分析的實質

模態分析實質是一種坐標系統的變換，目的在于把原在物理坐標系統中描述的響應向量放到所謂的“模態坐標系統”中描述，這一坐標系統每一個基向量恰好是振動系統的個特征向量，利用各特征向量之間的正交性，可使描述響應向量的各個坐標互相獨立而無藕合，于是，振動方程是一組互無禍合的方程，各個坐標均可單獨求解。

1.2模態分析的方法

模態分析可分為實驗模態分析與計算模態分析兩種方法。實驗模態分析是采用實驗與理論分析相結合的方法來識別結構模態參數(模態頻率、模態阻尼、振型)，用實驗的方法來尋求模態振型以及描述響應向量的各個坐標，即模態坐標。它對程結構的動態分析及優化設計有實用價值。工程結構可視一系統，系統的動態特性是指系統隨頻率、剛度、阻尼變化的特性。它既可用頻域的頻響函數描述，也可用時域的脈沖響應函數描述。建立頻響函數與模態參數之間的關系，以便識別模態參數，是模態分析的理論一項重要內容。

實驗模態分析可分為兩種不同的實驗方法:

正則振型實驗法(NMT):此法用多個激振器對結構同時進行正弦激勵，當激振力矢量被調到正比f某一振型時，就可激勵出某一純模態振型，并直接測出相應的模態參數，不必再進行計算。該法的優點在于所得的結果精度高;但它需要高精度的龐大測試儀器和熟練的實驗技能，費時長，成本高。

頻響函數法(FRF):此法可只在結構的某一選定點卜進行激勵，同時在多個選定點依次測量其響應。將激勵和響應的時域信號，經FFT分析儀轉換成頻域的頻譜。因頻響函數是響應與激勵譜的復數比，對已建立的頻響函數數學模型進行曲線擬合，就可從頻響函數求出系統的模態參數。該法的優點在于可同時激勵出全部模態，測試的時間短，所用儀器設備較簡單，實驗方便，在產業和科研部門得到了一泛的應用。

1.3模態分析技術

模態分析技術的各主要環節如下圖所示:

頻響函數H表示系統的輸出X與輸入F的復數比，基木定義是

它的物理含義是:在頻率山處輸入(激勵)—一單的正弦力，則系統將在同樣的田處產生一正弦運動的輸出(響應)，如下別所示:

而對于線性定常系統，任何輸入/輸出譜，都可以認為是正弦譜的迭加。故描述系統動態特性的頻響函數(FRF)與用來測量的信號類型無關，可用同樣應用于簡諧激勵、瞬態激勵和隨機激勵。

模態分析中結構的各階固有頻率相差較大，而阻尼又較小的情況下，以某一固有頻率激振時，該階固有模態就占土導地位，在定的誤差范圍內即可當作純模態響應看待，于是識別L:作可化為一個一個的單自由系統進行就非常方便。但是實際實驗中要激出“純模態”響應是不可能的，因為任何一種分布的激振力必將激出多個模態響應，實際測得的響應是多個響應的疊加。從能量的角度米看，各階模態之間是正交的，各固有模態之間總是不禍合的，每階固有模態表現為一種特定的能量平衡狀態，各平衡狀態之間沒有能量交換也互不禍合，結構的能量就是各階固有模態能量的總和。

模態分析最主要的應用是建立結構動態響應的預測模型，為結構的動強度設計及疲勞壽命的估計服務。模態分析的結果必將伴隨著模態坐標的縮減，因為在實際中，我們總是只是取其中的若廠階起土要作用的模態，而忽略其余階模態。在物理坐標系中所表達的結構振動方程是按動力平衡觀點或牛頓第，二定理來建立的，而在模態坐標系統中建立的響應計算模型或動力方程是從能量平衡觀點建立的。局部物理參數的變化總能在模態參數中得到反映，但并非是很敏感的，有的局部變化甚至是不敏感。例如，在某階振型的節點(該處振幅理論值為零)處附加質量，對該階模態參數就不會引起變化，所以我們常常能夠通過模態參數的變化來檢測結構局部損傷，但不能檢測非常小的局部損傷。實踐說明，在結構動特性中，振型對局部損傷的敏感性大于其它參數的敏感性，而應變模態振型比位移模態振型更敏感。

眾所周知，結構在脈沖激勵下作自山振動時，由于結構阻尼的存在，其響應將逐漸衰減。理論，結構的動力響應可視為各階模態按不同比例疊加的結果。對于結構位移響應而言，高階模態的位移貢獻相對較小，而低階模態的位移貢獻相對較大。因此當結構自由振動時，不少人認為結構的模態階數越高，其響應衰減的速度就越快，最后保留的部分響應是以結構第一階模態所作的自山衰減振動。目前，這直覺甚至被當作結論被L程界所接受，并在許多上程結構的動態測試中應用，特別是被用來確定結構的第一階固有頻率和陽尼系數。從結構的位移響應中獲得的這直觀結論，在振動理論尚未給予明確的回答。事實，并非所有程結構都表現為“結構的模態階數越高，其對應的位移響應衰減的就越快”。

2工程實例

湖北省秘歸縣三峽庫區一鋼筋混凝上結構轉體施1.拱橋(土跨105米)的成橋動力試驗中，為了獲取橋梁在車輛激勵作用下的自由振動響應信號，在橋而一3/8處(點A1),1/8處(中點A2),3/8處(點A3),1/4處(點A1)，分別布置了加速度傳感器(橋梁結構示意圖如圖1所示)。橋梁結構在不同速度的載重車輛的激勵下，其振動的自由衰減響應信號由低頻加速度傳感器獲取，經過電荷放大器、濾波器后，送數值信號采集分析系統作頻譜分析。

A1點的加速度響應頻譜如圖2所示，結構的第1至4階固有頻率分別識別為2.12Hz,3.54Hz,4.781-Iz和G.44Hz;而由A2點的加速瓜響應頻譜分析僅識別出結構第2階和第4階固有頻率:3.54Hz和G.44Hz(對稱點的響應信號無法識別出反對稱的振動模態，即該結構的第1階模態是反對稱的)。如果將A1點的加速度自伯響應信號經過一定時間衰減后(截取信號的后部分，其類似d單自由度振動系統的自由衰減響應信號)，對其作余振波形分析，固有頻率為3.SOHz;如果對其信號作頻譜分析，識別的固有頻率為3.54Hz,皆為結構的第2階固有頻率。其分析結果表明該橋梁結構的第2階模態比第1階模態衰減得快，即結構自由振動時各階模態衰減的快慢并非一定按模態順序排列。同時必須指出的是，在許多成橋動力檢測中，目前仍然應用結構的余振波形來確定結構的第1階固有頻率和阻尼比，這樣就很有可能將結構的高階模態參數誤作為第1階模態參數，進而對結構的建造質量和技術性能作出錯誤的判斷。

3結論

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【關鍵詞】基坑支護；結構設計；支撐；監測

1.工程概況湖南住宅建筑工程東面為小區道路，距路邊約20m；南面為單層臨建某酒店，間距約5.5m，該臨建基礎采用600噴粉樁，樁長約15m，但現場觀察有部分墻體有不同程度的開裂，是基礎不均勻沉降引起的，如果地下室深基坑支護結構有較大變化，就會對該酒店造成較大不利影響；西面為圍墻，距離約10m，北面是八層宿舍樓，間距約13m。該建筑物占地成矩形，長55.52m，寬18.5m。總建筑面積約15500m2，樓高15層，設一層地下室，地下室層高分別為4.4m和3.4m，但外露0.9m在地面上。場地自然標高約為-0.90m，地下室基礎承臺墊層底標高分別為-6.4m和-7.35m，即地下室挖土深度分別為5.5m及6.45m，具體布置詳見圖1。圖1地下室圍堰平面圖

2.地質條件

按地質鉆探資料提示，地質情況按孔深分層如下：0～3.7m為雜填土，松散；3.7～16.7m為淤泥質粘土，飽和流塑；16.7～24.1m為中細砂角礫層，飽和，中細砂松散，角礫稍密；24.1～26.6m為粉質粘土，飽和硬塑；26.6～29.3m為粉質土層，濕堅硬；29.3～55.5m為強風化花崗片麻巖。地下水位較高，地表下約0.84m。

3.基坑支護結構設計方案的選擇

根據該建筑物地形及鉆探資料，綜合分析該地下基坑有如下幾個特點：

(1)基坑開挖深度大。

(2)基坑開挖深度范圍內是雜填土、淤泥，土性差；地下水位較高。

(3)地下室南面距某酒店只有5.5m，且酒店有約3.0寬洗車槽場地及海鮮水池設在此5.5m范圍內。鉆孔樁，噴粉樁等機械無法靠近施工。并且一定要保證酒店正常營業，地下室施工時要保證該酒店建筑物的安全。

通過對多種方案綜合分析，最后確定地下室基坑南面采用拉森Ⅲ型鋼板樁圍護，其余三面采用鉆孔樁800間距1100圍護，鉆孔樁外側采用500、400噴粉樁聯成止水帷幕。鉆孔樁除基坑底為-7.35m部分采用兩層水平支撐外，其余鉆孔樁均采用一層水平支撐設計，鋼板樁采用兩層水平支撐設計。第一層支撐體系采用鋼筋混凝土梁（其中鋼板樁仍使用HK300C工字鋼作腰梁，節點利用焊接鋼筋錨入支撐混凝土中），中間設φ800鉆孔支承樁。第二層支撐體系采用HK300C工字鋼。由于部分基礎承臺阻擋節在二層支撐的支撐樁上，考慮到不能拖延加設支撐的時間，因而先加設支撐，然后支撐與承臺混凝土一起澆筑

此設計方案本著“安全、經濟、施工方便”的原則，一方面采用鉆孔樁及鋼筋混凝土支撐，經濟合理，節省工程開支，又能保證基坑支護結構有足夠的剛度和整體性；另一方面，鋼板樁可接駁加長，使樁錘能懸空施打板樁，以解決場地限制問題；另外，鋼板樁的抗滲性能較好，鋼支撐安拆方便，施工速度快，且鋼板及鋼支撐可重復使用。

4.支護結構設計的驗算取值

4.1鉆孔樁的計算（按等值梁法計算）

4.1.1r、Ck、ψk按20m范圍內的加權平均值計算，求得：r＝15.9KN/m，ψK=120；主動土壓力系數Ka=tg2(45-12/2)=0.66；被動土壓力系數Kp=tg2(45+12/2)=1.52；查表得K=1.28；eAh=rhKa=15.9×5.5×0.66=57.7KN/m2；eAq=qKa=2.64KN/m2；

4.1.2基坑面以下支護結構的反彎點取在土壓力零的d點，視為一個等值梁的一個鉸支點，計算樁上土壓力強度等于零的點離基坑底面下的距離為：y=Pb/r(K·Kp-Ka)=2.94m。

4.1.3按簡支梁計算等值梁的兩支點反力，求得：Po=127.3KN/m，Ra=134.6KN/m。

4.1.4計算鉆孔樁最小入土深度to=X+Y，X=10m，求得：to=12.94m；t=1.13×to=14.62m；Lh+t=5.5+14.62=20.12m。綜合考慮樁長取L＝20m。

4.1.5按剪力為零處彎矩最大，求得最大彎距：Mmax=246.8KN/m。

4.1.6采用800徑鉆孔樁，每隔1100mm布置，最大彎矩設計值：Mmax＝246.8×1.1×1.2＝325.8KN/m樁混凝土等級為C25，通過常規方法計算，鉆孔樁選配1620（對稱配筋，承受最大彎矩每側配密）。

4.2水平支撐GL1的截面設計。水平支撐GL1的截面尺寸定為500×900mm，作用于GL1的豎向荷載包括GL1的結構自重g=1.25KN/m和支撐頂面的施工荷載q=9.7KN/m2，作用在支撐結構上的水平力包括由土壓力和坑外地面荷載引起的圍護墻對腰梁QL1的側向力。可按圍護墻沿腰梁長度方向分布的水平乘以支撐中心距確定，即支撐的軸向力為NO＝7.5Ra=7.5×134.6=1009.5KN。

水平支撐GL1按偏心受壓構件計算。取內力標準值綜合系數為1.2，則GL1上的彎矩M＝1.2×（g+q）lo2/8=219.1KN/m；軸力為N＝1.2No=1211.4Kn，為了構造簡便，GL1采用對稱截面配筋，經按常規方法計算，GL1上下各選配625，（四肢）。

4.3腰梁QL1的截面設計。

QL1梁的截面尺寸定為500×800mm，圍護墻沿QL1梁長度方向分布的水力為q=Ra=134.6KN/m，考慮八字撐的影響，QL1梁的計算跨度按規范取lo=(l+l1)/2=5.0m，QL1梁按連續梁考慮。查表知Mmax=0.107qlo2×1.2=504.75KN/m，最大剪力Qmax=0.607，qlo=408.5KN。通過正截面承載力計算及斜截面抗能力計算，選配625（每側），(四肢)。

4.4工字鋼I30的強度驗算。查表Wx=472.3×103mm2；（f）=215MPa，得f=Mmax/Wx=106.9MPa＜（f）），所以，采用I30工字鋼偏于安全。

4.5鋼板樁的計算。基坑深6.5m，經驗算是一層內支撐不滿足要求，為此要用第二層內支支撐。采用現在拉森Ⅲ型鋼板樁，其截面特性：Wx=1600×103；f=200N/mm2；最大彎矩設計值：Mmax=1.2189.2=227.04KNm/m；f=Mmax/Wx=142﹤200N/mm2；考慮到現有鋼板樁規格等因素，經驗算樁長設計為20m，保證深基坑支護結構安全。

4.6第二道腰梁QL2的截面設計。設計采用H鋼HK300C，其截面特征值：A=225.1×102mm2；Ix=40948×104mm4；Iy=13734×104mm4；Wx=2559×103mm3；Wy=900×103mm3；ix=135mm；iy=78mm；沿QL2梁上分布水平力q=1.2×243.2=291.8KN/m；M=0.107qLo2=780.7KNm；f=M/Wx=305＜315N/mm2。4.7第二層水平支撐QL2截面設計。GL2梁采用HK300C鋼梁，其自重q=1.77KN/m；自重產生彎矩M=22.2KN/m；軸向力No=7.5RB=2188.8KN；ε=M·A/N；W=0.089＜30；λ=lo/iy=117；ψb=0.374；f=260N/mm2﹤315N/mm2。以上結構設計理論值經驗算，符合設計規范要求。

5.基坑支護結構的施工處理措施要點

5.1鋼板樁的施工。

為避免施工打工程樁時震動及土壤擠壓對酒店的基礎影響，所以靠近酒店（平行于A軸）的鋼板在工程樁施工前先打，打完鋼板樁后在板樁背后做排水溝。

5.2鉆孔樁及噴粉樁施工。全部鉆孔樁均在工程樁完成后才進行鉆孔施工，鉆孔樁采用“跳打”的方式施工。噴粉樁按鉆孔樁的施工進度分段插入施工。

5.3挖土施工及支撐的設置和拆除

5.3.1鉆孔樁完成后，降土約1.3m深(即支撐梁面標高-2.2m)，制作第一層支撐，該層支撐完成后大面積回填300mm厚土，支撐面為不少于300mm厚的準石粉石渣，這樣一方面保護支撐不被機械壓壞，另一方面有利于運泥車在場上行走。

5.3.2地下室大面積降土時，根據加設第一層支撐后，未加設第二層支撐之前，保證鋼板樁安全的驗算挖土深度來開挖土方，并且通過研究核算決定，除坑底設計標高為-7.35m的部分和靠A軸至鋼板樁的范圍內挖土至-5.9m深,并按I-I剖面圖所示在靠近鋼板樁留設土臺外,其余部位均大面積降土至標高-6.4m。這樣，通過預留土臺，增加被動土壓力的土坑力，保證鋼板樁的安全，充分利用機械挖土，加快施工速度。實踐證明該方法是可行的，但不同的土質其留設的土臺的寬度不同。

5.3.3第二層支撐應在挖土后兩天內加設完成，不能拖延時間，保證整個支護結構安全。

5.3.4全部樁承臺施工完畢后，用石粉、石渣將基坑回填至于-5.9m處，這樣，使整個基坑底回復于一層支撐的深度，然后拆除第二層支撐，繼續填土至能施工地下室底板為止。

5.3.5第一層支撐（-2.2m）待±0.00樓面施工完畢，圍堰樁與地下室外壁回填土方至-3.00標高外才拆除。

5.4降排水處理措施。基坑上部采用集水井和排水溝聯合排水，雖然鋼板樁及粉噴樁止水帷幕抗滲性能較好，但為防止基坑開挖時的雨水、少量滲水及土層含水量的影響，基坑底四周共設8個集水井，井壁用磚砌筑，但磚縫必須疏水，井內徑為1.0m，井底標高比施工面低0.8m，井內設潛水泵，集水井用排水溝縱橫聯接。這樣，由排水溝、集水井和抽水設備組成一個簡易的降排水系統將地下水位降低至6.0m以下。

5.5鋼板樁的回收。完成±0.00樓面，全部支撐拆除后，采用吊車在A～B軸的樓面行車回收鋼板樁。

6.施工監測為及時掌握基坑支護工程的變化動態，對該項工程采取專門監測，對所定的監測內容定時進行觀測，印制標準表格，進行數據整理，繪制位移（沉降）-時間坐標圖，以觀察各參數隨時間的變化趨勢，及時反饋信息，指導土方開挖和后續工程施工。

觀察項目包括：

(1)觀察南面酒店及北面八層宿舍樓的軸線標高變化，在靠近基坑支護工程的墻轉角及中間各設四個三角標志；

(2)觀察東面小區道路及西面圍墻的標高位移變化，各設兩個標志；

(3)鋼板樁墻及鉆孔樁墻每隔15m設一點，觀察水平位移和垂直度。

監測結果表明：從挖土到地下室工程完工，共進行18次監測，在整個監測過程中，圍堰的位移、傾斜、支撐變化均正常，周圍建筑物、道路、管線安全。主要監測結果如下：

(1)南面酒店的軸線無變化，最大沉降量為3mm。

(2)東面小區道路及西面圍墻無明顯變化。

(3)鋼板樁最大傾斜13mm，最大移位為18mm；鉆孔樁的最大位移為4mm，無明顯傾斜面。監測結果也說明此基坑支護結構設計方案是十分成功的，并且說明采用鋼板樁和鉆孔樁，鋼支撐和鋼筋砼支撐所組成的基坑支護結構，剛度及整體性良好。

7.基坑支護結構技術經濟分析

該基坑支護結構的總造價約為252萬元，總設計基坑支護長度為156.95m，平均每延長米的費用為1.6萬。基坑支護結構施工工期為52d。這對于主要土層內磨擦角僅為9°且挖土深度超過6m的地下室基坑支護工程來說是比較經濟和省時的。

8.設計體會與監理結論

8.1地下室基坑支護結構的設計必須滿足強度和變形兩個方面的要求，特別是變形問題。

8.2針對不同的情況，采用因地制宜的圍護措施，不僅能達到圍護目的，而且安全經濟省時。本工程基坑圍護針對不同現場情況，不同開挖深度，綜合采用了鉆孔樁、鋼板樁、卸土、挖土預留土臺、鋼筋混凝土內支撐和鋼內支撐等方法，即達到設計的目的，而且圍護費也合理。

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二、培養要求

畢業生應獲得以下幾方面的知識和能力：

具有較扎實的自然科學基礎，了解當代科學技術的主要方面和應用前景，熟悉地質工程勘察、設計施工。 掌握工程地質、工程力學、巖土力學的基本理論，地下工程、工程材料、結構分析與設計、地基處理方面的基本知識，掌握有關電工、工程測量與試驗、施工技術與組織等方面的基本知識。具有工程制圖、計算機應用、主要測試和試驗儀器使用的能力；具有綜合應用各種手段（包括外語工具）查詢資料、獲取信息的初步能力。熟悉國家有關工程勘察，建筑工程等方面的政策、規范和法規。具有進行工程勘察、設計、試驗、施工、管理和研究的初步能力。

三、主干學科 地質工程

四、主要課程

英語、高等數學、大學物理、普通化學、計算機基礎、材料力學、結構力學、巖土力學、建筑材料、鋼筋混凝土結構、道路勘測與設計、地下結構、施工技術與施工組織、地質工程經濟與企業管理。

五、主要實踐性教學環節（內容、要求）

設計1——鋼筋混凝土課程設計

時間：1周

內容：鋼筋混凝土結構

目的與要求：

通過本課程設計，使學生進一步掌握鋼筋混凝土結構設計的基本原理、方法和步驟。受到鋼筋混凝土結構設計的初步訓練。設計分兩部分進行，一部分為鋼筋混凝土樓蓋設計，一部分為單層廠房結構設計。要求學生完成相應的計算說明書及結構設計圖紙。

設計2——巖土體工程課程設計

時間：1周

內容：巖土體穩定性評價、巖土體工程設計

目的與要求：

通過本課程設計，使學生進一步掌握巖土體穩定性評價及巖土體工程設計的原理、方法和步驟，受到巖土體工程設計的初步訓練。要求學生在教師的指導下，完成相應的計算說明書和設計圖紙。

設計3——基礎工程設計

時間：1周

內容：根據工程地質勘察報告及有關資料選擇基礎方案，并進行設計、計算、繪出施工圖。

目的與要求：

通過本課程設計，使學生進一步掌握基礎工程設計的原理、方法和步驟。受到基礎工程設計的初步訓練。要求學生在教師的指導下，完成相應的計算說明書和設計圖紙。

測量實習，安排在第5學期，時間1周，內容為工程測量，要求學生在實習結束后，編寫一份實習報告。

認識實習，安排在第4學期，時間3周，內容為地質認識實習。

教學實習，安排在第6學期，時間7周，內容包括工程地質勘察、原位測試、室內資料分析與整理。要求編寫一份實習報告。

畢業實習及畢業設計（論文），安排在第8學期，時間12周。

畢業實習及畢業設計（論文）是實現本科培養目標的重要階段，是學生學習、研究與實踐成果的全面總結，也是對學生綜合素質與工程實踐能力培養效果的全面檢驗。通過畢業實習和畢業設計（論文），使學生達到工程師工作能力的初步訓練。

要求：選題盡可能結合生產實踐，做到一人一題，要求學生在教師的指導下，獨立完成畢業設計（論文）。

答辯：畢業設計（論文）完成后，由系統一組織答辯。

六、主要實驗

室內試驗（巖土物理力學性質測試、建筑材料試驗等）、野外現場試驗（巖土物理力學性質現場原位測試、工程監測及檢測等）

七、最低畢業課內總學時：2500學時

篇（5）

 

在橋梁結構分析中，橋梁結構本身的自重時常占橋梁結構所受荷載的很大部分，準確模擬橋梁結構自重是常遇問題，橋梁中對等截面連續梁可看成均布荷載，但如果結構形狀復雜—例如，變截面連續梁等，若沿橋梁軸線方向按均布荷載處理就不甚合理。本文用大型通用軟件ANSYS模擬某連續剛構橋箱梁橋自重為例來說明ANSYS軟件在這方面的應用。

1.ANSYS軟件及其工作流程

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，對自然界四大場—力場、流場、熱場、磁場實現全面分析；ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫學、教學科研等眾多領域，ANSYS是這些領域進行國際國內分析設計技術交流的分析平臺，是一個功能強大的有限元分析程序[1,2,3]。

ANSYS主要由前置處理(Preprocessing)、解題程序(solution)、后置處理 (Postprocessing)以及時間歷程等組成，在前處理方面，ANSYS的實體建模功能比較完善，提供了完整的布爾運算，還提供了拖拉、延伸、旋轉、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能[1,2,3]。論文參考。在此，采用了ANSYS對該橋的溫度效應進行仿真分析。

ANSYS具有豐富的單元庫和材料庫，可以對任意結構形式的橋梁進行全橋仿真分析，較為精確的反映出橋梁在各種因素下的綜合特征，如橋梁的應力應變分布、變形等等。

2.工程實例

某橋橋梁全長287.54m。主橋上部采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m預應力混凝土剛構-連續箱梁體系；主橋主墩采用雙薄壁式墩，主橋邊墩采用板式橋墩。橋箱梁橫斷面為單幅箱梁，全寬12.0m。箱梁縱向為變截面，變截面部分箱梁梁高按二次拋物線（y=0.001829x2）變化，其余箱梁梁高為等高度；頂板、腹板厚為分段線性變截面。主墩墩頂箱梁梁高5.00m，跨中及邊跨支點箱梁梁高2.00m，橋梁縱向線形圖、支點和跨中斷面結構尺寸詳圖見圖2-1、圖2-2和圖2-3。

圖2-1 橋梁縱向箱梁結構圖

圖2-2 支點橫斷面箱梁結構尺寸圖（注：單位cm）

（注：單位cm）

圖2-3 跨中橫斷面箱梁結構尺寸圖（注：單位cm）

3.ANSYS仿真分析

3. 1建模

ANSYS具有豐富的單元庫，常用單元有桿單元（link）、梁單元（beam）、板殼單元（shell）和實體單元（solid）。單元類型的合理選取很大程度上影響著能否科學合理的進行研究。論文參考。本例選用如圖3-1所示的三維結構實體單元來模擬結構自重。

圖3-1 ANSYS材料庫中solid65單元圖

定義實常數的時候，有三個自由度，包括三個位移自由度X、Y、Z三個方向，由于自重的方向是豎直向下的，因而輸入Y為9.8（m/s2）。

應用ANSYS進行結構分析的時候需要定義材料特性，材料特性反映材料的基本物理力學特性，根據本例需要，現場實測的彈性模量為3.29×1010（Pa），密度取值為2.5×103（kg/m3）。論文參考。

ANSYS建模的時候，可以采用交互式界面輸入，對于初學者，對比較簡單的結構進行仿真分析的時候可采用這種方法；若結構外形尺寸比較復雜，ANSYS仿真分析的時候，可以采用命令流的方法。由于本例是變截面箱梁，故采用了命令流的方法，用ANSYS建立的模型如圖3-2：

 

圖3-2 ANSYS建立的模型圖

用ANSYS進行有限元仿真分析的時候，建立模型后需要劃分單元。本例中建立了橋梁的總體模型，為方便起見，用總體單元尺寸的命令流作自由式網格劃分就能滿足要求。劃分完網格后的有限元計算模型如圖3-3：

 

圖3- 3 ANSYS建立的模型單元劃分圖

3. 2加載與求解

正確合理的加載是ANSYS仿真分析中的關鍵步驟，在不同的分析中，荷載亦不盡相同，如:位移、集中力、均布力、溫度和電流、電壓、水壓、速度等。ANSYS中的荷載分為六類:DOF(自由度)約束力、力(集中荷載)、表面荷載、體荷載、慣性力以及藕合場荷載[1,2,3,4]。

兩剛構墩底部受到基礎各個方向的約束，所以進行d,all,all約束，在其他支座和橋臺處受到豎直方向的約束，因而進行d,all,uy約束，在有限單元模型上施加約束后的圖形如圖3-4：

圖3-4 ANSYS建立的模型施加約束圖

對以上所有前處理過程進行核對無誤后，進入求解程序進行計算求解。

3.3后置處理

ANSYS有著功能強大的后處理器，借助它可以將解題部分所得的位移、應力、應變等解答數據以各種不同的表示方式顯示出來。

進行求解后得到的全橋在自重作用下的變形圖如圖3-5：

 

圖3-5 ANSYS建立的模型求解后變形圖

進行求解后得到的全橋在自重作用下沿橋梁縱向的應力圖如圖3-6：

 

圖3-6 有限元求解后縱橋向應力圖

從應力圖中，可非常清楚地看出應力的分布情況及極值。

ANSYS還可以以列表的形式表示出各節點的位移或應力，同時給出相應的極值與節點編號，并且分析者可以以記事本的方式對文件命名另存。本例跨中節點位移及最大值如圖3-7：

圖3-7有限元求解后節點位移輸出圖

4.結語

由以上分析可知：用ANSYS分析軟件進行橋梁結構重力的模擬是可行的；利用ANSYS進行橋梁結構自重仿真分析時，在科學合理的建立模型、合理的劃分單元、正確施加荷載與約束的情況下，可以有效地對橋梁結構進行分析研究，并且可以獲得直觀而條理清晰的結果。

參考文獻：

[1]. 唐興倫，范群波，張朝暉，李春陽.ANSYS工程應用教程.北京：中國鐵道出版社，2003

[2]. 陳精一，蔡國忠.電腦輔助工程分析ANSYS使用指南［M］.北京：中國鐵道出版社，2006

[3]. 王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應用［M］.北京：電子工業出版社，2006

[4]. 成全，張文煥.ANSYS軟件對于結構自重的模擬. ［J］.山西農業大學學報，2006

[5].姚玲森.橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1985

[6]. 項海帆.高等橋梁結構理論［M］.北京：人民交通出版社，2002

篇（6）

0前言

機械結構虛擬優化設計是以計算機建模和仿真技術為基礎，集計算機圖形學、虛擬現實技術、機械動力學、有限元分析、優化設計等技術為一體，由多學科知識組成的綜合系統技術，是機械結構動力學設計技術在計算機環境中數字化、圖像化的映射。本文分析了機械產品虛擬動態優化設計的一般過程，以數控車床關鍵部件一尾架為例，建立了三維可視化的有限元CAE模型，通過對模型進行結構分析，實現該部件結構的動態優化。

1機械結構虛擬動態優化設計過程

機械產品虛擬動態設計的一般過程是:先建立滿足工作性能要求的產品初始CAD模型(初步設計圖樣)，然后對產品結構進行動力學建模和動態特性分析，再根據工程實際情況，給出結構動態特性的要求或預定的動態設計目標，按結構動力學“逆問題”方法直接求解設計參數，或按結構“正問題”分析法，進行結構改進設計，直到滿足預期性能設計要求，從而獲得一個具有良好靜、動態特性的產品設計方案，如圖1所示。結構動態設計的主要內容包括:

(1)建立一個切合實際的結構動力學模型;

(2)選擇有效的動態優化設計方法。

2機械結構建模分析及優化實例

以數控車床關鍵部件尾架為例進行研究。數控車床動態設計是在“正問題”處理方法的基礎上進行的，數控車床共有零、部件800多個，其中對整機結構性能影響大的零、部件主要有以下幾個:床身、主軸箱、尾架等。為使整機具有良好的動態性能，必須對關鍵部件進行優化。為此，應先建立數控車床主要部件的幾何模型和滿足其動力學特征的有限元模型，進行動態分析，根據動態分析的結果對原部件結構設計的薄弱環節進行動力學修改和結構分析優化，最終得到一個具有良好靜、動態特性的產品設計方案。

數控車床的尾架安置在床身的尾架導軌上，并可沿此導軌調整其縱向位置。尾架套筒的錐孔裝有后頂尖，用以支撐工件。由于尾架頂尖與主軸箱卡盤的同軸度直接影響著車床加工零件的精度，因此，尾架的結構是否合理對保證車床加工高精度很重要。

如圖2為尾架系統的有限元模型，考慮到實際情況，將尾架導軌與兩導軌座作為一體處理，尾架體與導軌之間以互為接觸單元為主，每個導軌座均布4個全約束點，系統共有單元7 049個。得到尾架系統前三階振型如圖3(a)，3(b)，3(c)所示。表1列出了尾架系統計算頻率及振型特性。

由分析可知，該尾架系統剛度很弱，相當于簡支梁，是整機結構中非常薄弱的部分。綜合新車床的布局，考慮鑄造工藝性，尾架的導軌直接與床身一體，優化后的尾架由上下2部分組成，如圖4所示，其有限元模型如圖5所示。

建立改進尾架的有限元模型，系統共有2 210個體單元，對尾架上下2部分禍合12個節點，前三階固有振型如表2所示。

篇（7）

1 引言

隨著高層建筑的興起和持續發展，在高層建筑基礎研究領域，隨著城 市化程度不斷進步，經濟的發展，高層建筑越來越多。目前，超高層建筑基礎設計在很多方面還不夠完善，可謂是理論研究遠遠落后于工程實踐。而針對超高層建筑基礎設計工作的需要來看，對一些問題還需要深入的研究。工程現場實測和模型試驗均已證明結構樁基礎的地基反力，既不是直線型分布，也不符合彈性地基理論的計算結果。為此有必要開展對高層建筑結構樁基礎的設計研究。

近來，雖然對結構樁基礎進行了理論研究，但是對其工作機理認識還不夠深刻，對樁土分擔荷載，及其各部分的應力計算還需要深入分析研究。此外，對上部結構、基礎與地基的共同作用問題的研究尚未進入工程實用階段，特別是地震作用下的共同作用分析，現有的工程規范涉及很少。本論文重點對高層建筑結構樁基礎的設計進行簡化分析設計，以期從中能夠找到合理可靠的簡化結構樁基礎設計方法，并以此和廣大同行分享。

2 高層建筑結構樁基礎設計與工程應用現狀

目前實際工程中，很多樁基工程試樁設計與靜載試驗結果不相符。靜載試驗結果達不到設計要求，設計師通過調整設計參數，修改加密樁基設計圖予以補救，這樣靜載試驗結果超過設計要求太多，雖然安全性更易得到保證，但太保守的設計降低了經濟效益。在建筑業這種情況是要進行優化的，超過設計太多需要進行二次試樁，項目建設周期也隨之延長。如果設計師等靜載試驗結果出來再進行樁基施工圖的設計，既影響整個設計的進度，也滿足不了建設的需要。解決單樁靜載試驗結果與試樁設計偏差過大的問題，也就是怎樣使試樁設計盡量接近單樁靜載試驗結果，又簡便又精確地對單樁靜載試驗結果進行預估計是值得研究的。

在樁基工程實踐中，應用最廣的是在豎向荷載作用下的樁，豎向荷載作用下的樁土相互作用問題對樁基的設計和施工影響很大，因此，國內外的大量的研究工作者在這一領域里做了很多工作，提出了很多計算方法。但關于樁群向鄰近土傳遞應力的機理，至今還有許多方面尚未弄清。

多年來，許多學者致力于“樁基礎”理論和試驗研究，得出了了眾多的成果。但是由于問題本身的復雜性，樁基礎受承臺剛度、樁基承臺連接條件、樁基體系傳力機制及單樁和群樁工作形態差別等的影響，使其與一般的土一結構相互作用的問題大不相同，是巖土工程界目前尚未很好解決的難題。遠未形成一套系統的理論和簡便實際的計算方法。特別是在工程應用上，所進行的工作相對較少，有必要進行更加系統地分析研究。

3 高層建筑結構樁基礎簡化設計分析

高層建筑結構作用在基礎上的荷載大，基礎埋置深，一般設置地下室并常常有作為人防工程或地下停車庫等要求，因此，基礎工程的材料用量多、施工復雜且施工周期長，其技術經濟指標對建筑總造價有很大影響。高層建筑的基礎除極少數可直接建于堅硬的巖石上以外，一般采用鋼筋混凝土片筏式基礎、箱形基礎或樁基礎，而樁基礎是高層建筑最常用的基礎形式。樁基礎具有承載力大、穩定性好、沉降量小且均勻等優點，還能承受一定的水平力和上拔力，承受動荷載的性能也較好。

就高層建筑物的上下部相互作用問題來講，傳統的設計計算理論所采用的許多假定使其在不同程度上回避了樁-土-結構間相互作用的全面分析。如：地基反力系數法把土體對樁的反力作用等復雜因素通過Winker假定，簡化成單純的反力系數作用于樁上，傳統設計計算理論本質上都未徹底解決樁-土相互作用力學機制的分析問題。對于高層建筑物的相互作用分析，必須將結構-樁-土體系作為一個整體來考慮。顯然用傳統的設計計算理論來更貼切地分析這一實際問題還是有些困難的。就目前的分析手段來講，有限元法是個前景較好的方法，除了有限元數值模型能夠充分地考慮諸如：土體材料性質的空間差異性、力學響應的非線性，復雜的幾何邊界條件等，而且還能夠通過適當的數值技術模擬工程施工過程，以及由此而帶來的一些施工力學問題等各類復雜的耦合因素外，其思想和實現過程也都較為簡單和統一，因此適于編程和電算，極大的簡化了樁結構基礎的計算設計工作量。

在設計方法上進行簡化考慮，由于結構分析的有限元法(特別是子結構分析技術)的進展和計算手段的極大改善，在力求從理論上回答工程實踐中提出的各種問題的艱苦努力過程中，逐步發展到了這個階段。其主要特點是統一考慮上部結構、基礎和地基三者的共同作用，以離散形式的特征函數――地基剛度矩陣[Ks]表征地基土支承體系的剛度貢獻，運用空間子結構方法，將上部結構的剛度與荷載逐層向下凝聚到基礎子結構的上部邊界，形成全部上部結構的等效邊界剛度矩陣[場]和等效邊界荷載向量{SB}。將它們疊加到基礎子結構上去，并根據基礎與地基按觸點靜力平衡和位移協調條件，就可得到考慮三者共同作用的基本方程(并可反映根鄰建筑的影響)：

上式中：

[K]――基礎子結構剛度矩陣；

[KB]――上部子結構的邊界剛度矩陣；

[ ]――地基剛度矩陣；

{U}――基礎子結構的位移列向量；

{Q}――基礎子結構的荷載列向量；

{SB}―上部子結構的邊界荷載向量；

{ }相鄰建筑引起的沉降列向量。

求解該方程后得到基礎子結構的節點位移{U}，再從下向上逐層進行子結構回代即可得到上部結構各節點的位移，從而進一步給出所需節點處的內力。除采用子結構法外，對上部結構的剛度貢獻先后作過許多簡化考慮，提出不少簡單可行的分析途徑，它們與子結構有限元法相輔相成，例如彈性桿法、有效工作剛度法、加權殘數法等，不過一般都將上部結構處理為平面結構。

4 結語

高層建筑已經成為當前建筑領域的發展趨勢和發展潮流，如何面對高層建筑下的結構樁基礎的受力分析和結構設計，是當前建筑工程技術人員重點解決的問題之一。本論文結合高層建筑的結構樁基礎的受力特點，利用有限元的計算方法，對結構樁基礎的設計計算進行了簡化分析設計，對于進一步提高高層建筑結構樁基礎的簡化設計，實現有限元技術下的結構樁基礎的受力計算應用，具有一定的指導意義，本論文的簡化計算方法是值得推廣的。

參考文獻：

篇（8）

Abstract: more than ten years, big span concrete filled steel tube arch bridge in our country is developing very quickly in engineering practice had been used widely, not only the number of building increase gradually, span also is growing larger, so to construction technology, construction control requirements are constantly improved. Based on the east lake bridge engineering background, the main research of concrete filled steel tube arch bridge construction control theory, this paper studies the coagulation steel tube arch bridge arch rib construction method, and analyses the concrete filled steel tube arch bridge arch rib construction method, and points out that the development of concrete filled steel tube from main problem is the construction problems. Combined with the construction of the east lake bridge concrete filled steel tube arch bridge construction method for the construction control of study to lay the foundation.

Keywords: arch bridge; Construction control; Construction management

中圖分類號：TU71文獻標識碼：A文章編號：

1. 概述

在大跨度鋼管混凝土拱橋的實際施工中，雖然可采用各種施工計算方法算出各施工階段的位移值、撓度、預拋高值，但當按這些理論值進行施工時，結構的實際變形卻不一定能達到預期的結果。這主要是由于施工中的測量誤差、觀測誤差、安裝誤差等;或者是由于設計時所采用的設計參數，諸如材料的彈性模量、構件自重、施工臨時荷載的條件等，與實際工程中所表現出來的參數不完全一致而引起的。這種偏差隨著鋼管混凝土拱橋拱肋施工長度的增加，會逐漸累積，必須進行有效的控制和必要的調整。否則，鋼管混凝土拱橋的拱肋標高將偏離控制目標，從而會造成合龍困難，并會影響成橋后的線形和橋面行車等使用功能。再說，橋梁實際施工的施工因素造成的影響是設計中無法預見的，要針對具體的情況，在施工過程中進行適當和必要的調整，施工控制正是解決問題的有效途徑。

同時，在施工過程中拱橋的安全是十分重要。據統計，拱橋的垮塌事故大多發生在施工過程中，所以，對于大跨度拱橋，包括大跨度鋼管混凝土拱橋在施工過程中的變形及受力必須進行施工監控，避免結構在施工過程中出現失穩或過大的應力，而造成事故。大跨徑鋼管混凝上拱橋建成后，拱軸線是否與設計拱軸線相吻合，受力是否合理主要取決于:①施工質量;②施工控制技術;③設計質量。從某種意義講，施工控制技術是大跨徑鋼管混凝土拱橋建設的關鍵之一，目前，正日益受到橋梁工作者的關注和重視。因此，橋梁在施工過程中必須加強現場施工控制工作。

2. 施工控制方法

2.1 閉環反饋控制

閉環反饋控制作為控制論的一個基本概念，是指被控的輸出以一定方式返回到作為控制的輸入端，并對輸入端施加控制影響的一種控制關系。對于較復雜橋型，由于實際施工狀態和計算采用模型的參數等狀態之’間存在差異，隨著結構復雜程度的增加、橋梁跨度的增大，在每個施工階段的積累誤差將越來越大，以至不可忽略，否則到施工結束時結構的內力和線形將較顯著地偏離設計目標的成橋狀態。因此，在施工中的每個階段出現誤差之后，就必須及時識別并加以糾正，而控制量的大小和糾正的措施是必須由誤差經反饋計算所確定的，這就形成了一個閉環反饋控制過程。

2.2自適應控制

在閉環反饋控制的基礎上，再加上一個系統辨識過程稱為自適應控制，整個控制系統就成為自適應控制系統誤差識別過程。當結構模型計算結果與測量到的受力狀態不相符時，在參數辨識算法中輸入誤差去調節計算模型的參數，使模型的實際測量到的結果與輸出結果相一致，得到修正后的計算模型參數，重新計算各施工階段的理想狀態，結構進行控制按反饋控制方法進行，這樣，經過幾個工況的反復辨識后，計算模型就與實際結構基本上相一致了，在此基礎上可以對施工狀態進行更好的控制。該方法目前被廣泛采用，并認為是較合理的施工控制方法之一。

2.3開環控制

對于結構和施工較簡單的橋梁常采用開環控制，控制時，一般按照設計施工圖進行施工，施工完成后的結構就基本上能達到設計和規范所要求的內力狀態和線形。這種控制方法就是一個開環的施工控制過程，與閉環控制相比沒有反饋。在開環控制方法中，控制是單向的，并不需要像閉環反饋控制那樣根據結構的反應來改變施工中的內力和變形。在各構件的安裝和制造精度高，或者結構安裝和制造誤差的影響不大時，這種方法是方便可行的，大部分中小橋采用的都是這種方法進行施工控制。但這種控制方法沒有控制誤差和修正誤差的能力。

3. 橋梁施工控制結構分析方法

篇（9）

中圖分類號：TV331文獻標識碼： A

1引言

預應力混凝土連續剛構橋具有變形小、結構剛度好、行車平順舒適、伸縮縫少、養護簡單以及抗震能力強等優點。其與連續梁的主要區別在于柔性橋墩的作用，使結構在豎向荷載作用下基本上屬于一種墩臺無推力的結構，而上部結構具有連續梁橋一般特點。

預應力混凝土連續剛構橋在施工過程中，由于橋梁結構的空間位置及形狀隨施工的進展將不斷發生變化，要經過多次的體系轉換過程，若同時考慮到施工過程中的結構自重、施工荷載以及混凝土材料的收縮、徐變、施工荷載等因素的影響，將可能導致橋梁合攏困難、成橋線形與設計要求不相符、設計狀態難以保證等問題。因此，必須對大跨度橋梁的施工預拱度、主梁梁體內的應力等進行嚴格的施工控制。施工控制是連續剛構橋修建和發展必不可少的保證措施，主要包括幾何（變形控制）、應力控制、穩定控制和安全控制，其中安全控制是橋梁施工控制的重要內容，變形控制、應力控制、穩定控制的綜合體現。由于結構形式不同，直接影響施工安全的因素也不一樣，在施工控制中需根據實際情況，確定其安全控制重點。

本文以溫福鐵路客運專線田螺大橋作為工程背景，對該橋懸臂澆筑施工過程進行了應力控制研究，對施工控制理論在工程實踐中的具體運用進行了詳細的分析，采用大型計算軟件MIDAS/CIVIL對全橋進行了仿真模擬分析，并對實測值和計算值進行比較分析。

2. 工程背景及測試方法

溫福鐵路客運專線田螺大橋位于云淡門海純潮區，通航凈空為120 m×24 m，主跨為(88+160+88)m預應力混凝土連續剛構。全橋立面布置見圖1。

圖1 田螺大橋總體布置立面圖（單位：cm）

梁體采用C60混凝土，墩柱采用C45混凝土，承臺和樁基采用C30混凝土。預應力鋼絞線均采用《預應力混凝土鋼絞線》（GB/T5224-1995），標準強度1860MPa，直徑15.2mm,彈性模量Ey=1.95x105MPa的低松弛鋼絞線。

3 有限元計算模型的建立

田螺大橋為三跨高墩的大跨徑連續剛構梁橋梁，分析計算采用有限元綜合分析程序MIDAS/CIVIL， 且橋的單元類型采用MIDAS/CIVIL中的“變截面梁單元”，由2個節點構成的，是屬于“等截面或變截面平面梁單元”，具有壓、剪、彎的變形剛度。為了更真實的模擬實際工程現場，在MIDAS/Civil中材料的選取時混凝土選用自定義材料，從現場及實驗室的資料定義材料參數。全橋計算模型共劃分155個單元，164個節點，其中上部結構123個單元，橋墩32個單元，全橋采用“自適應控制法”進行施工監控。全橋計算模型如下圖2所示。田螺大橋

圖2田螺大橋有限元模型

4 成橋階段內力及應力計算結果

施工控制仿真分析，就是通過合理的模型，采取有效的結構分析方法，對橋梁的成橋線形、受力狀態和施工中的線形、受力狀態進行一定精確度的模擬分析的過程。現以田螺大橋的成橋狀態為例，在恒載+活載組合下結構的內力及應力見圖3和圖4.

（1）主梁彎矩圖（kN.m）

圖3全橋彎矩圖

（2）主梁剪力圖（kN）

圖4全橋剪力圖

（3）主梁應力圖（MPa）：

圖5全橋上緣應力圖

圖6全橋下緣應力圖

通過圖3-圖9可以看出，成橋狀態下的彎矩、剪力和應力完全符合設計要求以及滿足鐵路橋涵施工規范中對C60混凝土的抗壓極限強度為20MPa，抗拉極限強度為1.17MPa的安全要求。

5 應力監控

在施工過程中，對每一節段的施工循環，在立模、混凝土澆筑之前、混凝土澆筑之后、張拉預應力之前、張拉預應力之后均應進行應力應變測試并與變形測試同時進行。

圖7 計算應力與實測應力的比較

圖8 計算應力與實測應力的比較

圖11 計算應力與實測應力的比較

圖4-34計算應力與實測應力的比較

通過以上的比較可以明顯的看出，計算應力與實測應力的曲線形狀大致相同，這說明本橋的有限元計算模型符合實際，施工也是基本符合規范要求的。對于梁段的上緣應力，實測值明顯大于理論計算值，這是由于施工過程中預應力的超張拉及施工過程橋面上的施工荷載等引起的。對于梁段的下緣應力，則基本上表現為在20#塊施工前實測應力小于計算值；而在20#塊施工之后以及后續的合攏段施工中則表現為實測值大于計算值。這是由于前期受橋梁自重以及施工荷載影響導致箱梁下緣受壓，抵消了一部分張拉的預應力，使得實測值偏小；而自20#塊的施工開始橋梁即將合攏并完成體系轉換，使下緣壓力減小，實測值重新高于計算值。

由上述實測值與理論值的比較可以看出主梁應力實測值與理論計算值的誤差較小，箱梁混凝土采用C60，在允許應力法施工中其抗壓極限強度為20MPa，抗拉極限強度為1.17MPa，計算值及施工過程實測值均在規范限值之內，整個過程混凝土的應力是安全的。這說明混凝土澆注、預應力張拉以及合攏等施工過程是規范的，同時也說明了本文所采用的計算模型是正確的、計算結果是可靠的、測點的埋設是成功的，進而可以判斷連續剛構橋在懸臂施工過程中是安全可行的。

6.結論

本論文從工程實際出發，以田螺大橋為工程依托，對大跨度預應力混凝土連續剛構橋施工監控、穩定性分析。監控過程表明，“自適應控制”理論能很好的適用于連續剛構橋的施工監控，只要系統逐漸過渡到自適應狀態，橋梁狀態即在控制之中。因此，對系統參數以及計算模型的修正是施工控制的核心內容。

結構自重誤差在大跨度橋梁中普遍存在，并且對結構的變形和應力影響都很大，施工中應嚴格控制自重誤差。本工程在施工過程中應力與位移均在控制范圍內，并且實現了誤差極其微小的主跨精準合攏，合龍后線形與預計線形有很好的吻合，可見田螺大橋的控制系統是有效的。

參考文獻

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引言

材料力學是機械專業的學科基礎課，其教學目主要是為了后期專業課服務。它與機械設計、課程設計、畢業設計等息息相關。材料力學理論教學內容概念繁雜，定義抽象，學生不好學，老師不好講。尤其是應力狀態內容經常陷入只可意會不可言傳的“微妙境界”。而其相關的課內實驗教學往往以破壞性的驗證性實驗為主，其實驗對應用型的本科生意義不大，而且其成本高，其實驗器材具有不可重復性。在材料力學的教學過程中引入ANSYS軟件可以彌補這些缺點。

一、ANSYS軟件結構分析功介紹

（一）軟件的結構分析處理過程

ANSYS有限元分析分為前處理過程；求解過程；后處理過程。前處理過程就是創建有限元模型；求解過程就是施加載荷并求解；后處理過程就是查看分析結果。ANSYS軟件的CAD/CAE的協同環境AWE（ANSYS Workbench Environment）可直接讀入各類繪圖軟件的零件模型。當然也可從ANSYS軟件中直接建模。比如說汽車車架，車架的結構較為復雜，則可用CAD建模導入ANSYS中。對于前處理過程中關鍵性的網格劃分，網格劃分是比較繁瑣費時的，對于缺乏經驗的人來說很難準確完成，而其劃分的準確性對求解過程會有很大的影響。ANSYS的網格劃分是比較智能化的，對于學生們來說可以很好的彌補經驗不足這一缺點。在分析求解過程中使用有限元方法進行分析求解時可先對一些條件進行假設，然后再引入已知的約束條件，來模擬實際的邊界條件。通過計算車架在無阻尼狀態下的固有頻率和振形可分析其共振環境和頻率。通用后處理器則可以把結果數據映射到任意路徑上，可以觀察某項結果數據沿路徑的變化情況。

（二）軟件結構分析內容

ANSYS軟件中的結構靜力分析很適合用于處于穩定外載荷引起的系統的應力應變。靜力分析可以分析穩定的慣性力和隨時間穩定變化的靜載荷，比如說金屬錨桿靜力分析，首先利用ANSYS軟件建立錨桿的原始模型，有原始模型推建幾何模型，運用有限元分析可得出元件基本上都是從桿體部位斷裂，想要提高錨桿的使用壽命，則需從桿體部位入手。運用ANSYS平臺進行結構分析不僅有其實用價值，在教學中更能體現出其理論價值。

二、材料力學教學與ANSYS軟件相結合

（一）材料力學教學與軟件結合教學模式實施方案

對于應用型本科教學而言，可將傳統的64（理論課時）+8（實驗課時）改成50（理論課時）+22（軟件教學）。對應用型本科材料力學中的實驗全部用軟件教學代替，再將理論教學中的一部分（公式推導、演示部分）學時也用于該軟件的教學。當然，該軟件在相關刪掉的理論教學方面完全有替代作用，且其效果較傳統教學模式好。

（二）實驗教學內容用ANSYS軟件的相關教學代替

傳統的材料力學實驗一般都是拉壓、扭轉變形的應力公式驗證，這些實驗大多為驗證破壞性實驗。而我校屬于三本院校，培養出來的本科生以應用型為主。這些驗證性實驗對大部分本科生都沒有什么實質性的意義。且這些實驗對其公式的應用也并無益處，其破壞形式也很難從實驗中觀測出來。在引入ANSYS軟件教學后，可利用其后處理模塊動態演示實驗過程，另外很重要的一點就是與實驗室破壞性實驗不同，ANSYS可重復多次演示實驗過程，可大大節約實驗材料，并加深學生們的理解。

（三）理論教學引入ANSYS軟件

下面就在材料力學教學過程中那些內容要引入軟件教學進行論述。

1.拉壓扭轉變形

通過ANSYS軟件建造構件的拉壓扭轉變形模型。比如：圓形截面桿件的扭轉變形，通過圖例可以很好的看出圓形截面桿件扭轉時各截面仍為平面。通過這種圖例可直觀簡潔的看出桿件發生的變形，可以很好地幫助學生理解扭轉變形，還可以節約教師課堂教學時間，提高教學效率。

2.壓桿穩定

通過建立有限元分析，可使學生更容易理解用ANSYS軟件的分析過程，在求解過程中，首先應當進行靜力分析，得出靜力解。再做特征值屈曲分析。ANSYS中有兩種分析方法：線性（特征值）和非線性屈曲分析。其中線性屈曲分析與教材中的彈性屈曲分析方法類似，結果與歐拉解相同。屈曲過程的結果在結果文件中，文件中包含屈曲載荷系數、模態形狀、相對應力分布等等。其結果與教材中的理論結果相吻合，這樣就加深了學生對壓桿失穩的理解。

3.組合變形

ANSYS強大的非線性分析能力可以有效的解決各類組合變形問題，例如：矩形截面梁的彎扭組合變形屬于典型的幾何非線性問題，這就需要用有限變形理論來解決。首先，可用ANSYS對矩形截面梁所受載荷的變形程度進行分析，將分析結果與實驗結果進行對比，發現結果相差無幾，由此可以看出，ANSYS完全可以模擬彎扭組合變形問題。這樣不但節約了時間，而且更加方便學生理解掌握。

4.應力狀態分析

通過有限元分析可以得出零件結構的工作特性。比如說應力集中問題。教材中一般只對影響因素進行說明，并未對影響后的結果做具體說明，以至于學生對于應力集中得不到更多了解與認識。教師可利用ANSYS軟件對應力集中計算并分析其結果，即可幫助學生對其分析計算有更感性的理解。這樣既可以幫助同學們系統的理解應力狀態分布知識也有助于培養學生們的創新能力。

（四）教學效果

我校對材料力學這門課程在2010級機械專業試行這種教學模式。現在該年級學生已經快畢業。證明該年級的學生在后期的專業課中對于強度分析校核的應用的理解明顯優于其他年級的。通過調研發現，在學生找工作的過程中，有ANSYS軟件應用能力的學生更受歡迎。

三、結束語

ANSYS軟件不但能夠豐富理論教學內容，提升學生對于材料力學的興趣，加深學生們對于教材理論認識，將其與課堂內容教學結合起來，可以有效地解決課堂中所遇到的一些疑難問題，拓寬學生們的知識面，熟悉所學的知識在實際工程當中的應用，為以后機械設計等專業課的學習打下基礎。而且還可以培養學生們應用計算機的能力，促進學生掌握一門實用性很強的應用軟件。這對于應用型本科人才的培養至關重要。

武昌工學院校級教學研究項目：（課題編號2012JY01）

課題名稱：“實踐+應用軟件+理論”三結合模式課程體系的構建研究

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