工程结构分析论文汇总十篇

序论：好文章的创作是一个不断探索和完善的过程，我们为您推荐十篇工程结构分析论文范例，希望它们能助您一臂之力，提升您的阅读品质，带来更深刻的阅读感受。

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2结构地震响应分析常用的方法

2.1振型分解反应谱法

振型分解反应谱法的原理：该方法分解其结构单自由度体系的振型以及反应谱。根据此法，地震效应中的多自由度体系特性得到了求解。该法把结构的动力效应数值化，通过地震反应谱来推算出结构在地震作用下的行为。反应谱曲线反映的是周期及反应的关系曲线。我国现行的抗震规范中，计算单向水平地震响应时，采用的是振型分解反应谱法。规范中对两个主轴方向均施加地震作用，同时组合双向水平地震的响应（即是组合其中一个方向百分之一百的值与另一方向百分之八十五值的平方根）。从此可知，抗震性能的要求在规范中越来越高。振型分解反应谱法广泛的应用在实际工程中，下面介绍一下其优缺点。优点：⑴振型分解反应谱法的优点在于其结合广义地震的强度、动力特征、场地以及震中距一起考虑，研究相互之间的关系。自1950年开始，该方法就广泛应用于各国建筑抗震规范中，同时也是我国结构抗震设计规范中地震作用所采用的分析方法以及计算理论基础。⑵该方法的反应谱的绘制是由国内外大量的记录最大地震响应在结构单质点体系中的行为计算而来的。从统计理论角度来说，该方法能够较为准确的算出结构在其使用期内收到地震的最大反应，在定量角度而言上较为准确可靠。这就是反应谱法尤为突出的优点。缺点：尽管反应谱法的理论比较成熟而且简单易懂。然而，局限性来源于其本质，使其有着如下不足之处：⑴尽管反应谱法综合考虑了结构动力特征所产生的共振效应，但目前的设计工作中依然将地震的惯性力当做是静力来处理，因此，反应谱理论在目前来说是准动力理论而非准确的动力理论；⑵振幅、频谱和持续时间作为地震动力效应的三要素，在利用振型分解反应谱法作分析的过程中仅仅考虑了振幅和频谱，未能真实的反映地震动力效应持续的时间对结构破坏程度的影响，而这种影响恰恰是至关重要的；⑶反应谱理论的适用范围是结构在弹性阶段的地震效应。结构整体最不利的地震效应在弹塑性阶段中的体现能够用该法粗略地推算出，结构在整个地震过程的效应则无法体现。同时地震过程中各关键构件在弹塑性变形阶段的应力以及变形状态也无法反映出来，因而也无法找出地震作用下结构的薄弱环节。因此学者们可以把寻找弥补该法缺陷的方法作为今后的研究方向。

2.2时程分析法

时程分析法作为新型的抗震分析方法，开始于1960年，并逐步发展起来。其主要用于研究高层以及超高层建筑的抗震性能分析。该方法作为有效的分析方法，在1980已广泛应用于抗震设计规范或规程中。地震波利用时程分析法，按照时间段进行数值化后，再在整个结构体系的振动微分方程中将其带入，采用逐步积分法对结构在弹塑阶段的动力反应进行分析，求解结构在整个强震时间以及空间区域中的动力状态全过程，得出任意杆件在任意时刻的内力和变形以及出现塑性铰的顺序。地震动相关参数需要输入到时程分析法中，该参数是能反映场地的真实情况以及具有统计意义的加速度时程曲线。结构体系的动力模型综合考虑了结构的非线性恢复力特征。与振型分解反应谱法相比较，时程分析方法更加接近实际情况。因而时程分析方法具有如下特点：⑴将地震力数值化，转化为地震动加速度时程曲线输入，对结构进行地震反应效应的分析，能较为全面地考虑了强震作用的三要素；⑵结构的动力性质是利用结构在弹塑阶段的整个过程恢复力特征曲线来体现，从而能够比较准确地体现结构地震响应；⑶能够得到结构在整个强震时间以及空间区域中的动力状态全过程，得出任意杆件在任意时刻的内力和变形以及出现塑性铰的顺序，从而可判定结构的屈服机制。

2.3静力弹塑性（Pushover）分析

静力弹塑性（Pushover）分析主要研究方向是研究罕遇地震力作用下，结构体系的地震效应。该法是基于抗震性能设计方法，评价结构体系在大震作用下，是否满足“结构不倒塌，重要构件不严重受损”的抗震性能目标。本文根据Pushover的基本计算原理进行简要的介绍，并就其在工程实例中的应用展开讨论。对高层建筑结构来说，该法是一种可行的简化分析方法。其计算过程如下：⑴建立模型、内力分析和配筋。利用程序，求出结构构件在我国现行规范中规定的荷载工况下的内力并配筋。内力分析时，梁、柱利用框架单元进行模拟,现浇板用壳单元进行模拟,模拟框架的计算简图如图1所示。⑵塑性铰的定义和设置。SAP2000可以在任意构件的任意部位布置任意数量的塑性铰（弯矩、剪力以及轴力）。各种塑性铰的本构模型如图2所示。⑶侧向加载模式以及输出模型结果。

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0前言

程结构跨度变得越来越大，结构的动力特性也就显得越来越重要，因此结构设计帅和上程技术人员也对它更加重视。方面，通过对结构动力特性优化设计，使结构处于良好的上作状态，保证了结构的安全可靠性，延长了结构的使用周期和减少了对环境的厂几扰:另一方而，通过结构的动力特性可了解复杂结构的结构性能和技术性能，从而作出科学的技术评定。运用结构动力特性解决程实际问题，需要有个桥梁—近20余年迅速发展起来的模态分析技术。模态分析是结构动特性分析的，种手段，通过分析L.程结构的模态特性可建立结构在动态激励条件下的响应，预测结构在实际五作状态下的工作行为及其对环境的影响。

1模态分析理论

1.l模态分析的实质

模态分析实质是一种坐标系统的变换，目的在于把原在物理坐标系统中描述的响应向量放到所谓的“模态坐标系统”中描述，这一坐标系统每一个基向量恰好是振动系统的个特征向量，利用各特征向量之间的正交性，可使描述响应向量的各个坐标互相独立而无藕合，于是，振动方程是一组互无祸合的方程，各个坐标均可单独求解。

1.2模态分析的方法

模态分析可分为实验模态分析与计算模态分析两种方法。实验模态分析是采用实验与理论分析相结合的方法来识别结构模态参数(模态频率、模态阻尼、振型)，用实验的方法来寻求模态振型以及描述响应向量的各个坐标，即模态坐标。它对程结构的动态分析及优化设计有实用价值。工程结构可视一系统，系统的动态特性是指系统随频率、刚度、阻尼变化的特性。它既可用频域的频响函数描述，也可用时域的脉冲响应函数描述。建立频响函数与模态参数之间的关系，以便识别模态参数，是模态分析的理论一项重要内容。

实验模态分析可分为两种不同的实验方法:

正则振型实验法(NMT):此法用多个激振器对结构同时进行正弦激励，当激振力矢量被调到正比f某一振型时，就可激励出某一纯模态振型，并直接测出相应的模态参数，不必再进行计算。该法的优点在于所得的结果精度高;但它需要高精度的庞大测试仪器和熟练的实验技能，费时长，成本高。

频响函数法(FRF):此法可只在结构的某一选定点卜进行激励，同时在多个选定点依次测量其响应。将激励和响应的时域信号，经FFT分析仪转换成频域的频谱。因频响函数是响应与激励谱的复数比，对已建立的频响函数数学模型进行曲线拟合，就可从频响函数求出系统的模态参数。该法的优点在于可同时激励出全部模态，测试的时间短，所用仪器设备较简单，实验方便，在产业和科研部门得到了一泛的应用。

1.3模态分析技术

模态分析技术的各主要环节如下图所示:

频响函数H表示系统的输出X与输入F的复数比，基木定义是

它的物理含义是:在频率山处输入(激励)—一单的正弦力，则系统将在同样的田处产生一正弦运动的输出(响应)，如下别所示:

而对于线性定常系统，任何输入/输出谱，都可以认为是正弦谱的迭加。故描述系统动态特性的频响函数(FRF)与用来测量的信号类型无关，可用同样应用于简谐激励、瞬态激励和随机激励。

模态分析中结构的各阶固有频率相差较大，而阻尼又较小的情况下，以某一固有频率激振时，该阶固有模态就占土导地位，在定的误差范围内即可当作纯模态响应看待，于是识别L:作可化为一个一个的单自由系统进行就非常方便。但是实际实验中要激出“纯模态”响应是不可能的，因为任何一种分布的激振力必将激出多个模态响应，实际测得的响应是多个响应的叠加。从能量的角度米看，各阶模态之间是正交的，各固有模态之间总是不祸合的，每阶固有模态表现为一种特定的能量平衡状态，各平衡状态之间没有能量交换也互不祸合，结构的能量就是各阶固有模态能量的总和。

模态分析最主要的应用是建立结构动态响应的预测模型，为结构的动强度设计及疲劳寿命的估计服务。模态分析的结果必将伴随着模态坐标的缩减，因为在实际中，我们总是只是取其中的若厂阶起土要作用的模态，而忽略其余阶模态。在物理坐标系中所表达的结构振动方程是按动力平衡观点或牛顿第，二定理来建立的，而在模态坐标系统中建立的响应计算模型或动力方程是从能量平衡观点建立的。局部物理参数的变化总能在模态参数中得到反映，但并非是很敏感的，有的局部变化甚至是不敏感。例如，在某阶振型的节点(该处振幅理论值为零)处附加质量，对该阶模态参数就不会引起变化，所以我们常常能够通过模态参数的变化来检测结构局部损伤，但不能检测非常小的局部损伤。实践说明，在结构动特性中，振型对局部损伤的敏感性大于其它参数的敏感性，而应变模态振型比位移模态振型更敏感。

众所周知，结构在脉冲激励下作自山振动时，由于结构阻尼的存在，其响应将逐渐衰减。理论，结构的动力响应可视为各阶模态按不同比例叠加的结果。对于结构位移响应而言，高阶模态的位移贡献相对较小，而低阶模态的位移贡献相对较大。因此当结构自由振动时，不少人认为结构的模态阶数越高，其响应衰减的速度就越快，最后保留的部分响应是以结构第一阶模态所作的自山衰减振动。目前，这直觉甚至被当作结论被L程界所接受，并在许多上程结构的动态测试中应用，特别是被用来确定结构的第一阶固有频率和阳尼系数。从结构的位移响应中获得的这直观结论，在振动理论尚未给予明确的回答。事实，并非所有程结构都表现为“结构的模态阶数越高，其对应的位移响应衰减的就越快”。

2工程实例

湖北省秘归县三峡库区一钢筋混凝上结构转体施1.拱桥(土跨105米)的成桥动力试验中，为了获取桥梁在车辆激励作用下的自由振动响应信号，在桥而一3/8处(点A1),1/8处(中点A2),3/8处(点A3),1/4处(点A1)，分别布置了加速度传感器(桥梁结构示意图如图1所示)。桥梁结构在不同速度的载重车辆的激励下，其振动的自由衰减响应信号由低频加速度传感器获取，经过电荷放大器、滤波器后，送数值信号采集分析系统作频谱分析。

A1点的加速度响应频谱如图2所示，结构的第1至4阶固有频率分别识别为2.12Hz,3.54Hz,4.781-Iz和G.44Hz;而由A2点的加速瓜响应频谱分析仅识别出结构第2阶和第4阶固有频率:3.54Hz和G.44Hz(对称点的响应信号无法识别出反对称的振动模态，即该结构的第1阶模态是反对称的)。如果将A1点的加速度自伯响应信号经过一定时间衰减后(截取信号的后部分，其类似d单自由度振动系统的自由衰减响应信号)，对其作余振波形分析，固有频率为3.SOHz;如果对其信号作频谱分析，识别的固有频率为3.54Hz,皆为结构的第2阶固有频率。其分析结果表明该桥梁结构的第2阶模态比第1阶模态衰减得快，即结构自由振动时各阶模态衰减的快慢并非一定按模态顺序排列。同时必须指出的是，在许多成桥动力检测中，目前仍然应用结构的余振波形来确定结构的第1阶固有频率和阻尼比，这样就很有可能将结构的高阶模态参数误作为第1阶模态参数，进而对结构的建造质量和技术性能作出错误的判断。

3结论

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【关键词】基坑支护；结构设计；支撑；监测

1.工程概况湖南住宅建筑工程东面为小区道路，距路边约20m；南面为单层临建某酒店，间距约5.5m，该临建基础采用600喷粉桩，桩长约15m，但现场观察有部分墙体有不同程度的开裂，是基础不均匀沉降引起的，如果地下室深基坑支护结构有较大变化，就会对该酒店造成较大不利影响；西面为围墙，距离约10m，北面是八层宿舍楼，间距约13m。该建筑物占地成矩形，长55.52m，宽18.5m。总建筑面积约15500m2，楼高15层，设一层地下室，地下室层高分别为4.4m和3.4m，但外露0.9m在地面上。场地自然标高约为-0.90m，地下室基础承台垫层底标高分别为-6.4m和-7.35m，即地下室挖土深度分别为5.5m及6.45m，具体布置详见图1。图1地下室围堰平面图

2.地质条件

按地质钻探资料提示，地质情况按孔深分层如下：0～3.7m为杂填土，松散；3.7～16.7m为淤泥质粘土，饱和流塑；16.7～24.1m为中细砂角砾层，饱和，中细砂松散，角砾稍密；24.1～26.6m为粉质粘土，饱和硬塑；26.6～29.3m为粉质土层，湿坚硬；29.3～55.5m为强风化花岗片麻岩。地下水位较高，地表下约0.84m。

3.基坑支护结构设计方案的选择

根据该建筑物地形及钻探资料，综合分析该地下基坑有如下几个特点：

(1)基坑开挖深度大。

(2)基坑开挖深度范围内是杂填土、淤泥，土性差；地下水位较高。

(3)地下室南面距某酒店只有5.5m，且酒店有约3.0宽洗车槽场地及海鲜水池设在此5.5m范围内。钻孔桩，喷粉桩等机械无法靠近施工。并且一定要保证酒店正常营业，地下室施工时要保证该酒店建筑物的安全。

通过对多种方案综合分析，最后确定地下室基坑南面采用拉森Ⅲ型钢板桩围护，其余三面采用钻孔桩800间距1100围护，钻孔桩外侧采用500、400喷粉桩联成止水帷幕。钻孔桩除基坑底为-7.35m部分采用两层水平支撑外，其余钻孔桩均采用一层水平支撑设计，钢板桩采用两层水平支撑设计。第一层支撑体系采用钢筋混凝土梁（其中钢板桩仍使用HK300C工字钢作腰梁，节点利用焊接钢筋锚入支撑混凝土中），中间设φ800钻孔支承桩。第二层支撑体系采用HK300C工字钢。由于部分基础承台阻挡节在二层支撑的支撑桩上，考虑到不能拖延加设支撑的时间，因而先加设支撑，然后支撑与承台混凝土一起浇筑

此设计方案本着“安全、经济、施工方便”的原则，一方面采用钻孔桩及钢筋混凝土支撑，经济合理，节省工程开支，又能保证基坑支护结构有足够的刚度和整体性；另一方面，钢板桩可接驳加长，使桩锤能悬空施打板桩，以解决场地限制问题；另外，钢板桩的抗渗性能较好，钢支撑安拆方便，施工速度快，且钢板及钢支撑可重复使用。

4.支护结构设计的验算取值

4.1钻孔桩的计算（按等值梁法计算）

4.1.1r、Ck、ψk按20m范围内的加权平均值计算，求得：r＝15.9KN/m，ψK=120；主动土压力系数Ka=tg2(45-12/2)=0.66；被动土压力系数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基坑面以下支护结构的反弯点取在土压力零的d点，视为一个等值梁的一个铰支点，计算桩上土压力强度等于零的点离基坑底面下的距离为：y=Pb/r(K·Kp-Ka)=2.94m。

4.1.3按简支梁计算等值梁的两支点反力，求得：Po=127.3KN/m，Ra=134.6KN/m。

4.1.4计算钻孔桩最小入土深度to=X+Y，X=10m，求得：to=12.94m；t=1.13×to=14.62m；Lh+t=5.5+14.62=20.12m。综合考虑桩长取L＝20m。

4.1.5按剪力为零处弯矩最大，求得最大弯距：Mmax=246.8KN/m。

4.1.6采用800径钻孔桩，每隔1100mm布置，最大弯矩设计值：Mmax＝246.8×1.1×1.2＝325.8KN/m桩混凝土等级为C25，通过常规方法计算，钻孔桩选配1620（对称配筋，承受最大弯矩每侧配密）。

4.2水平支撑GL1的截面设计。水平支撑GL1的截面尺寸定为500×900mm，作用于GL1的竖向荷载包括GL1的结构自重g=1.25KN/m和支撑顶面的施工荷载q=9.7KN/m2，作用在支撑结构上的水平力包括由土压力和坑外地面荷载引起的围护墙对腰梁QL1的侧向力。可按围护墙沿腰梁长度方向分布的水平乘以支撑中心距确定，即支撑的轴向力为NO＝7.5Ra=7.5×134.6=1009.5KN。

水平支撑GL1按偏心受压构件计算。取内力标准值综合系数为1.2，则GL1上的弯矩M＝1.2×（g+q）lo2/8=219.1KN/m；轴力为N＝1.2No=1211.4Kn，为了构造简便，GL1采用对称截面配筋，经按常规方法计算，GL1上下各选配625，（四肢）。

4.3腰梁QL1的截面设计。

QL1梁的截面尺寸定为500×800mm，围护墙沿QL1梁长度方向分布的水力为q=Ra=134.6KN/m，考虑八字撑的影响，QL1梁的计算跨度按规范取lo=(l+l1)/2=5.0m，QL1梁按连续梁考虑。查表知Mmax=0.107qlo2×1.2=504.75KN/m，最大剪力Qmax=0.607，qlo=408.5KN。通过正截面承载力计算及斜截面抗能力计算，选配625（每侧），(四肢)。

4.4工字钢I30的强度验算。查表Wx=472.3×103mm2；（f）=215MPa，得f=Mmax/Wx=106.9MPa＜（f）），所以，采用I30工字钢偏于安全。

4.5钢板桩的计算。基坑深6.5m，经验算是一层内支撑不满足要求，为此要用第二层内支支撑。采用现在拉森Ⅲ型钢板桩，其截面特性：Wx=1600×103；f=200N/mm2；最大弯矩设计值：Mmax=1.2189.2=227.04KNm/m；f=Mmax/Wx=142﹤200N/mm2；考虑到现有钢板桩规格等因素，经验算桩长设计为20m，保证深基坑支护结构安全。

4.6第二道腰梁QL2的截面设计。设计采用H钢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第二层水平支撑QL2截面设计。GL2梁采用HK300C钢梁，其自重q=1.77KN/m；自重产生弯矩M=22.2KN/m；轴向力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。以上结构设计理论值经验算，符合设计规范要求。

5.基坑支护结构的施工处理措施要点

5.1钢板桩的施工。

为避免施工打工程桩时震动及土壤挤压对酒店的基础影响，所以靠近酒店（平行于A轴）的钢板在工程桩施工前先打，打完钢板桩后在板桩背后做排水沟。

5.2钻孔桩及喷粉桩施工。全部钻孔桩均在工程桩完成后才进行钻孔施工，钻孔桩采用“跳打”的方式施工。喷粉桩按钻孔桩的施工进度分段插入施工。

5.3挖土施工及支撑的设置和拆除

5.3.1钻孔桩完成后，降土约1.3m深(即支撑梁面标高-2.2m)，制作第一层支撑，该层支撑完成后大面积回填300mm厚土，支撑面为不少于300mm厚的准石粉石渣，这样一方面保护支撑不被机械压坏，另一方面有利于运泥车在场上行走。

5.3.2地下室大面积降土时，根据加设第一层支撑后，未加设第二层支撑之前，保证钢板桩安全的验算挖土深度来开挖土方，并且通过研究核算决定，除坑底设计标高为-7.35m的部分和靠A轴至钢板桩的范围内挖土至-5.9m深,并按I-I剖面图所示在靠近钢板桩留设土台外,其余部位均大面积降土至标高-6.4m。这样，通过预留土台，增加被动土压力的土坑力，保证钢板桩的安全，充分利用机械挖土，加快施工速度。实践证明该方法是可行的，但不同的土质其留设的土台的宽度不同。

5.3.3第二层支撑应在挖土后两天内加设完成，不能拖延时间，保证整个支护结构安全。

5.3.4全部桩承台施工完毕后，用石粉、石渣将基坑回填至于-5.9m处，这样，使整个基坑底回复于一层支撑的深度，然后拆除第二层支撑，继续填土至能施工地下室底板为止。

5.3.5第一层支撑（-2.2m）待±0.00楼面施工完毕，围堰桩与地下室外壁回填土方至-3.00标高外才拆除。

5.4降排水处理措施。基坑上部采用集水井和排水沟联合排水，虽然钢板桩及粉喷桩止水帷幕抗渗性能较好，但为防止基坑开挖时的雨水、少量渗水及土层含水量的影响，基坑底四周共设8个集水井，井壁用砖砌筑，但砖缝必须疏水，井内径为1.0m，井底标高比施工面低0.8m，井内设潜水泵，集水井用排水沟纵横联接。这样，由排水沟、集水井和抽水设备组成一个简易的降排水系统将地下水位降低至6.0m以下。

5.5钢板桩的回收。完成±0.00楼面，全部支撑拆除后，采用吊车在A～B轴的楼面行车回收钢板桩。

6.施工监测为及时掌握基坑支护工程的变化动态，对该项工程采取专门监测，对所定的监测内容定时进行观测，印制标准表格，进行数据整理，绘制位移（沉降）-时间坐标图，以观察各参数随时间的变化趋势，及时反馈信息，指导土方开挖和后续工程施工。

观察项目包括：

(1)观察南面酒店及北面八层宿舍楼的轴线标高变化，在靠近基坑支护工程的墙转角及中间各设四个三角标志；

(2)观察东面小区道路及西面围墙的标高位移变化，各设两个标志；

(3)钢板桩墙及钻孔桩墙每隔15m设一点，观察水平位移和垂直度。

监测结果表明：从挖土到地下室工程完工，共进行18次监测，在整个监测过程中，围堰的位移、倾斜、支撑变化均正常，周围建筑物、道路、管线安全。主要监测结果如下：

(1)南面酒店的轴线无变化，最大沉降量为3mm。

(2)东面小区道路及西面围墙无明显变化。

(3)钢板桩最大倾斜13mm，最大移位为18mm；钻孔桩的最大位移为4mm，无明显倾斜面。监测结果也说明此基坑支护结构设计方案是十分成功的，并且说明采用钢板桩和钻孔桩，钢支撑和钢筋砼支撑所组成的基坑支护结构，刚度及整体性良好。

7.基坑支护结构技术经济分析

该基坑支护结构的总造价约为252万元，总设计基坑支护长度为156.95m，平均每延长米的费用为1.6万。基坑支护结构施工工期为52d。这对于主要土层内磨擦角仅为9°且挖土深度超过6m的地下室基坑支护工程来说是比较经济和省时的。

8.设计体会与监理结论

8.1地下室基坑支护结构的设计必须满足强度和变形两个方面的要求，特别是变形问题。

8.2针对不同的情况，采用因地制宜的围护措施，不仅能达到围护目的，而且安全经济省时。本工程基坑围护针对不同现场情况，不同开挖深度，综合采用了钻孔桩、钢板桩、卸土、挖土预留土台、钢筋混凝土内支撑和钢内支撑等方法，即达到设计的目的，而且围护费也合理。

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二、培养要求

毕业生应获得以下几方面的知识和能力：

具有较扎实的自然科学基础，了解当代科学技术的主要方面和应用前景，熟悉地质工程勘察、设计施工。 掌握工程地质、工程力学、岩土力学的基本理论，地下工程、工程材料、结构分析与设计、地基处理方面的基本知识，掌握有关电工、工程测量与试验、施工技术与组织等方面的基本知识。具有工程制图、计算机应用、主要测试和试验仪器使用的能力；具有综合应用各种手段（包括外语工具）查询资料、获取信息的初步能力。熟悉国家有关工程勘察，建筑工程等方面的政策、规范和法规。具有进行工程勘察、设计、试验、施工、管理和研究的初步能力。

三、主干学科 地质工程

四、主要课程

英语、高等数学、大学物理、普通化学、计算机基础、材料力学、结构力学、岩土力学、建筑材料、钢筋混凝土结构、道路勘测与设计、地下结构、施工技术与施工组织、地质工程经济与企业管理。

五、主要实践性教学环节（内容、要求）

设计1——钢筋混凝土课程设计

时间：1周

内容：钢筋混凝土结构

目的与要求：

通过本课程设计，使学生进一步掌握钢筋混凝土结构设计的基本原理、方法和步骤。受到钢筋混凝土结构设计的初步训练。设计分两部分进行，一部分为钢筋混凝土楼盖设计，一部分为单层厂房结构设计。要求学生完成相应的计算说明书及结构设计图纸。

设计2——岩土体工程课程设计

时间：1周

内容：岩土体稳定性评价、岩土体工程设计

目的与要求：

通过本课程设计，使学生进一步掌握岩土体稳定性评价及岩土体工程设计的原理、方法和步骤，受到岩土体工程设计的初步训练。要求学生在教师的指导下，完成相应的计算说明书和设计图纸。

设计3——基础工程设计

时间：1周

内容：根据工程地质勘察报告及有关资料选择基础方案，并进行设计、计算、绘出施工图。

目的与要求：

通过本课程设计，使学生进一步掌握基础工程设计的原理、方法和步骤。受到基础工程设计的初步训练。要求学生在教师的指导下，完成相应的计算说明书和设计图纸。

测量实习，安排在第5学期，时间1周，内容为工程测量，要求学生在实习结束后，编写一份实习报告。

认识实习，安排在第4学期，时间3周，内容为地质认识实习。

教学实习，安排在第6学期，时间7周，内容包括工程地质勘察、原位测试、室内资料分析与整理。要求编写一份实习报告。

毕业实习及毕业设计（论文），安排在第8学期，时间12周。

毕业实习及毕业设计（论文）是实现本科培养目标的重要阶段，是学生学习、研究与实践成果的全面总结，也是对学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验。通过毕业实习和毕业设计（论文），使学生达到工程师工作能力的初步训练。

要求：选题尽可能结合生产实践，做到一人一题，要求学生在教师的指导下，独立完成毕业设计（论文）。

答辩：毕业设计（论文）完成后，由系统一组织答辩。

六、主要实验

室内试验（岩土物理力学性质测试、建筑材料试验等）、野外现场试验（岩土物理力学性质现场原位测试、工程监测及检测等）

七、最低毕业课内总学时：2500学时

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在桥梁结构分析中，桥梁结构本身的自重时常占桥梁结构所受荷载的很大部分，准确模拟桥梁结构自重是常遇问题，桥梁中对等截面连续梁可看成均布荷载，但如果结构形状复杂—例如，变截面连续梁等，若沿桥梁轴线方向按均布荷载处理就不甚合理。本文用大型通用软件ANSYS模拟某连续刚构桥箱梁桥自重为例来说明ANSYS软件在这方面的应用。

1.ANSYS软件及其工作流程

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，对自然界四大场—力场、流场、热场、磁场实现全面分析；ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的分析平台，是一个功能强大的有限元分析程序[1,2,3]。

ANSYS主要由前置处理(Preprocessing)、解题程序(solution)、后置处理 (Postprocessing)以及时间历程等组成，在前处理方面，ANSYS的实体建模功能比较完善，提供了完整的布尔运算，还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能[1,2,3]。论文参考。在此，采用了ANSYS对该桥的温度效应进行仿真分析。

ANSYS具有丰富的单元库和材料库，可以对任意结构形式的桥梁进行全桥仿真分析，较为精确的反映出桥梁在各种因素下的综合特征，如桥梁的应力应变分布、变形等等。

2.工程实例

某桥桥梁全长287.54m。主桥上部采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m预应力混凝土刚构-连续箱梁体系；主桥主墩采用双薄壁式墩，主桥边墩采用板式桥墩。桥箱梁横断面为单幅箱梁，全宽12.0m。箱梁纵向为变截面，变截面部分箱梁梁高按二次抛物线（y=0.001829x2）变化，其余箱梁梁高为等高度；顶板、腹板厚为分段线性变截面。主墩墩顶箱梁梁高5.00m，跨中及边跨支点箱梁梁高2.00m，桥梁纵向线形图、支点和跨中断面结构尺寸详图见图2-1、图2-2和图2-3。

图2-1 桥梁纵向箱梁结构图

图2-2 支点横断面箱梁结构尺寸图（注：单位cm）

（注：单位cm）

图2-3 跨中横断面箱梁结构尺寸图（注：单位cm）

3.ANSYS仿真分析

3. 1建模

ANSYS具有丰富的单元库，常用单元有杆单元（link）、梁单元（beam）、板壳单元（shell）和实体单元（solid）。单元类型的合理选取很大程度上影响着能否科学合理的进行研究。论文参考。本例选用如图3-1所示的三维结构实体单元来模拟结构自重。

图3-1 ANSYS材料库中solid65单元图

定义实常数的时候，有三个自由度，包括三个位移自由度X、Y、Z三个方向，由于自重的方向是竖直向下的，因而输入Y为9.8（m/s2）。

应用ANSYS进行结构分析的时候需要定义材料特性，材料特性反映材料的基本物理力学特性，根据本例需要，现场实测的弹性模量为3.29×1010（Pa），密度取值为2.5×103（kg/m3）。论文参考。

ANSYS建模的时候，可以采用交互式界面输入，对于初学者，对比较简单的结构进行仿真分析的时候可采用这种方法；若结构外形尺寸比较复杂，ANSYS仿真分析的时候，可以采用命令流的方法。由于本例是变截面箱梁，故采用了命令流的方法，用ANSYS建立的模型如图3-2：

 

图3-2 ANSYS建立的模型图

用ANSYS进行有限元仿真分析的时候，建立模型后需要划分单元。本例中建立了桥梁的总体模型，为方便起见，用总体单元尺寸的命令流作自由式网格划分就能满足要求。划分完网格后的有限元计算模型如图3-3：

 

图3- 3 ANSYS建立的模型单元划分图

3. 2加载与求解

正确合理的加载是ANSYS仿真分析中的关键步骤，在不同的分析中，荷载亦不尽相同，如:位移、集中力、均布力、温度和电流、电压、水压、速度等。ANSYS中的荷载分为六类:DOF(自由度)约束力、力(集中荷载)、表面荷载、体荷载、惯性力以及藕合场荷载[1,2,3,4]。

两刚构墩底部受到基础各个方向的约束，所以进行d,all,all约束，在其他支座和桥台处受到竖直方向的约束，因而进行d,all,uy约束，在有限单元模型上施加约束后的图形如图3-4：

图3-4 ANSYS建立的模型施加约束图

对以上所有前处理过程进行核对无误后，进入求解程序进行计算求解。

3.3后置处理

ANSYS有着功能强大的后处理器，借助它可以将解题部分所得的位移、应力、应变等解答数据以各种不同的表示方式显示出来。

进行求解后得到的全桥在自重作用下的变形图如图3-5：

 

图3-5 ANSYS建立的模型求解后变形图

进行求解后得到的全桥在自重作用下沿桥梁纵向的应力图如图3-6：

 

图3-6 有限元求解后纵桥向应力图

从应力图中，可非常清楚地看出应力的分布情况及极值。

ANSYS还可以以列表的形式表示出各节点的位移或应力，同时给出相应的极值与节点编号，并且分析者可以以记事本的方式对文件命名另存。本例跨中节点位移及最大值如图3-7：

图3-7有限元求解后节点位移输出图

4.结语

由以上分析可知：用ANSYS分析软件进行桥梁结构重力的模拟是可行的；利用ANSYS进行桥梁结构自重仿真分析时，在科学合理的建立模型、合理的划分单元、正确施加荷载与约束的情况下，可以有效地对桥梁结构进行分析研究，并且可以获得直观而条理清晰的结果。

参考文献：

[1]. 唐兴伦，范群波，张朝晖，李春阳.ANSYS工程应用教程.北京：中国铁道出版社，2003

[2]. 陈精一，蔡国忠.电脑辅助工程分析ANSYS使用指南［M］.北京：中国铁道出版社，2006

[3]. 王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用［M］.北京：电子工业出版社，2006

[4]. 成全，张文焕.ANSYS软件对于结构自重的模拟. ［J］.山西农业大学学报，2006

[5].姚玲森.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1985

[6]. 项海帆.高等桥梁结构理论［M］.北京：人民交通出版社，2002

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0前言

机械结构虚拟优化设计是以计算机建模和仿真技术为基础，集计算机图形学、虚拟现实技术、机械动力学、有限元分析、优化设计等技术为一体，由多学科知识组成的综合系统技术，是机械结构动力学设计技术在计算机环境中数字化、图像化的映射。本文分析了机械产品虚拟动态优化设计的一般过程，以数控车床关键部件一尾架为例，建立了三维可视化的有限元CAE模型，通过对模型进行结构分析，实现该部件结构的动态优化。

1机械结构虚拟动态优化设计过程

机械产品虚拟动态设计的一般过程是:先建立满足工作性能要求的产品初始CAD模型(初步设计图样)，然后对产品结构进行动力学建模和动态特性分析，再根据工程实际情况，给出结构动态特性的要求或预定的动态设计目标，按结构动力学“逆问题”方法直接求解设计参数，或按结构“正问题”分析法，进行结构改进设计，直到满足预期性能设计要求，从而获得一个具有良好静、动态特性的产品设计方案，如图1所示。结构动态设计的主要内容包括:

(1)建立一个切合实际的结构动力学模型;

(2)选择有效的动态优化设计方法。

2机械结构建模分析及优化实例

以数控车床关键部件尾架为例进行研究。数控车床动态设计是在“正问题”处理方法的基础上进行的，数控车床共有零、部件800多个，其中对整机结构性能影响大的零、部件主要有以下几个:床身、主轴箱、尾架等。为使整机具有良好的动态性能，必须对关键部件进行优化。为此，应先建立数控车床主要部件的几何模型和满足其动力学特征的有限元模型，进行动态分析，根据动态分析的结果对原部件结构设计的薄弱环节进行动力学修改和结构分析优化，最终得到一个具有良好静、动态特性的产品设计方案。

数控车床的尾架安置在床身的尾架导轨上，并可沿此导轨调整其纵向位置。尾架套筒的锥孔装有后顶尖，用以支撑工件。由于尾架顶尖与主轴箱卡盘的同轴度直接影响着车床加工零件的精度，因此，尾架的结构是否合理对保证车床加工高精度很重要。

如图2为尾架系统的有限元模型，考虑到实际情况，将尾架导轨与两导轨座作为一体处理，尾架体与导轨之间以互为接触单元为主，每个导轨座均布4个全约束点，系统共有单元7 049个。得到尾架系统前三阶振型如图3(a)，3(b)，3(c)所示。表1列出了尾架系统计算频率及振型特性。

由分析可知，该尾架系统刚度很弱，相当于简支梁，是整机结构中非常薄弱的部分。综合新车床的布局，考虑铸造工艺性，尾架的导轨直接与床身一体，优化后的尾架由上下2部分组成，如图4所示，其有限元模型如图5所示。

建立改进尾架的有限元模型，系统共有2 210个体单元，对尾架上下2部分祸合12个节点，前三阶固有振型如表2所示。

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1 引言

随着高层建筑的兴起和持续发展，在高层建筑基础研究领域，随着城 市化程度不断进步，经济的发展，高层建筑越来越多。目前，超高层建筑基础设计在很多方面还不够完善，可谓是理论研究远远落后于工程实践。而针对超高层建筑基础设计工作的需要来看，对一些问题还需要深入的研究。工程现场实测和模型试验均已证明结构桩基础的地基反力，既不是直线型分布，也不符合弹性地基理论的计算结果。为此有必要开展对高层建筑结构桩基础的设计研究。

近来，虽然对结构桩基础进行了理论研究，但是对其工作机理认识还不够深刻，对桩土分担荷载，及其各部分的应力计算还需要深入分析研究。此外，对上部结构、基础与地基的共同作用问题的研究尚未进入工程实用阶段，特别是地震作用下的共同作用分析，现有的工程规范涉及很少。本论文重点对高层建筑结构桩基础的设计进行简化分析设计，以期从中能够找到合理可靠的简化结构桩基础设计方法，并以此和广大同行分享。

2 高层建筑结构桩基础设计与工程应用现状

目前实际工程中，很多桩基工程试桩设计与静载试验结果不相符。静载试验结果达不到设计要求，设计师通过调整设计参数，修改加密桩基设计图予以补救，这样静载试验结果超过设计要求太多，虽然安全性更易得到保证，但太保守的设计降低了经济效益。在建筑业这种情况是要进行优化的，超过设计太多需要进行二次试桩，项目建设周期也随之延长。如果设计师等静载试验结果出来再进行桩基施工图的设计，既影响整个设计的进度，也满足不了建设的需要。解决单桩静载试验结果与试桩设计偏差过大的问题，也就是怎样使试桩设计尽量接近单桩静载试验结果，又简便又精确地对单桩静载试验结果进行预估计是值得研究的。

在桩基工程实践中，应用最广的是在竖向荷载作用下的桩，竖向荷载作用下的桩土相互作用问题对桩基的设计和施工影响很大，因此，国内外的大量的研究工作者在这一领域里做了很多工作，提出了很多计算方法。但关于桩群向邻近土传递应力的机理，至今还有许多方面尚未弄清。

多年来，许多学者致力于“桩基础”理论和试验研究，得出了了众多的成果。但是由于问题本身的复杂性，桩基础受承台刚度、桩基承台连接条件、桩基体系传力机制及单桩和群桩工作形态差别等的影响，使其与一般的土一结构相互作用的问题大不相同，是岩土工程界目前尚未很好解决的难题。远未形成一套系统的理论和简便实际的计算方法。特别是在工程应用上，所进行的工作相对较少，有必要进行更加系统地分析研究。

3 高层建筑结构桩基础简化设计分析

高层建筑结构作用在基础上的荷载大，基础埋置深，一般设置地下室并常常有作为人防工程或地下停车库等要求，因此，基础工程的材料用量多、施工复杂且施工周期长，其技术经济指标对建筑总造价有很大影响。高层建筑的基础除极少数可直接建于坚硬的岩石上以外，一般采用钢筋混凝土片筏式基础、箱形基础或桩基础，而桩基础是高层建筑最常用的基础形式。桩基础具有承载力大、稳定性好、沉降量小且均匀等优点，还能承受一定的水平力和上拔力，承受动荷载的性能也较好。

就高层建筑物的上下部相互作用问题来讲，传统的设计计算理论所采用的许多假定使其在不同程度上回避了桩-土-结构间相互作用的全面分析。如：地基反力系数法把土体对桩的反力作用等复杂因素通过Winker假定，简化成单纯的反力系数作用于桩上，传统设计计算理论本质上都未彻底解决桩-土相互作用力学机制的分析问题。对于高层建筑物的相互作用分析，必须将结构-桩-土体系作为一个整体来考虑。显然用传统的设计计算理论来更贴切地分析这一实际问题还是有些困难的。就目前的分析手段来讲，有限元法是个前景较好的方法，除了有限元数值模型能够充分地考虑诸如：土体材料性质的空间差异性、力学响应的非线性，复杂的几何边界条件等，而且还能够通过适当的数值技术模拟工程施工过程，以及由此而带来的一些施工力学问题等各类复杂的耦合因素外，其思想和实现过程也都较为简单和统一，因此适于编程和电算，极大的简化了桩结构基础的计算设计工作量。

在设计方法上进行简化考虑，由于结构分析的有限元法(特别是子结构分析技术)的进展和计算手段的极大改善，在力求从理论上回答工程实践中提出的各种问题的艰苦努力过程中，逐步发展到了这个阶段。其主要特点是统一考虑上部结构、基础和地基三者的共同作用，以离散形式的特征函数――地基刚度矩阵[Ks]表征地基土支承体系的刚度贡献，运用空间子结构方法，将上部结构的刚度与荷载逐层向下凝聚到基础子结构的上部边界，形成全部上部结构的等效边界刚度矩阵[场]和等效边界荷载向量{SB}。将它们叠加到基础子结构上去，并根据基础与地基按触点静力平衡和位移协调条件，就可得到考虑三者共同作用的基本方程(并可反映根邻建筑的影响)：

上式中：

[K]――基础子结构刚度矩阵；

[KB]――上部子结构的边界刚度矩阵；

[ ]――地基刚度矩阵；

{U}――基础子结构的位移列向量；

{Q}――基础子结构的荷载列向量；

{SB}―上部子结构的边界荷载向量；

{ }相邻建筑引起的沉降列向量。

求解该方程后得到基础子结构的节点位移{U}，再从下向上逐层进行子结构回代即可得到上部结构各节点的位移，从而进一步给出所需节点处的内力。除采用子结构法外，对上部结构的刚度贡献先后作过许多简化考虑，提出不少简单可行的分析途径，它们与子结构有限元法相辅相成，例如弹性杆法、有效工作刚度法、加权残数法等，不过一般都将上部结构处理为平面结构。

4 结语

高层建筑已经成为当前建筑领域的发展趋势和发展潮流，如何面对高层建筑下的结构桩基础的受力分析和结构设计，是当前建筑工程技术人员重点解决的问题之一。本论文结合高层建筑的结构桩基础的受力特点，利用有限元的计算方法，对结构桩基础的设计计算进行了简化分析设计，对于进一步提高高层建筑结构桩基础的简化设计，实现有限元技术下的结构桩基础的受力计算应用，具有一定的指导意义，本论文的简化计算方法是值得推广的。

参考文献：

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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

中图分类号：TU71文献标识码：A文章编号：

1. 概述

在大跨度钢管混凝土拱桥的实际施工中，虽然可采用各种施工计算方法算出各施工阶段的位移值、挠度、预抛高值，但当按这些理论值进行施工时，结构的实际变形却不一定能达到预期的结果。这主要是由于施工中的测量误差、观测误差、安装误差等;或者是由于设计时所采用的设计参数，诸如材料的弹性模量、构件自重、施工临时荷载的条件等，与实际工程中所表现出来的参数不完全一致而引起的。这种偏差随着钢管混凝土拱桥拱肋施工长度的增加，会逐渐累积，必须进行有效的控制和必要的调整。否则，钢管混凝土拱桥的拱肋标高将偏离控制目标，从而会造成合龙困难，并会影响成桥后的线形和桥面行车等使用功能。再说，桥梁实际施工的施工因素造成的影响是设计中无法预见的，要针对具体的情况，在施工过程中进行适当和必要的调整，施工控制正是解决问题的有效途径。

同时，在施工过程中拱桥的安全是十分重要。据统计，拱桥的垮塌事故大多发生在施工过程中，所以，对于大跨度拱桥，包括大跨度钢管混凝土拱桥在施工过程中的变形及受力必须进行施工监控，避免结构在施工过程中出现失稳或过大的应力，而造成事故。大跨径钢管混凝上拱桥建成后，拱轴线是否与设计拱轴线相吻合，受力是否合理主要取决于:①施工质量;②施工控制技术;③设计质量。从某种意义讲，施工控制技术是大跨径钢管混凝土拱桥建设的关键之一，目前，正日益受到桥梁工作者的关注和重视。因此，桥梁在施工过程中必须加强现场施工控制工作。

2. 施工控制方法

2.1 闭环反馈控制

闭环反馈控制作为控制论的一个基本概念，是指被控的输出以一定方式返回到作为控制的输入端，并对输入端施加控制影响的一种控制关系。对于较复杂桥型，由于实际施工状态和计算采用模型的参数等状态之’间存在差异，随着结构复杂程度的增加、桥梁跨度的增大，在每个施工阶段的积累误差将越来越大，以至不可忽略，否则到施工结束时结构的内力和线形将较显著地偏离设计目标的成桥状态。因此，在施工中的每个阶段出现误差之后，就必须及时识别并加以纠正，而控制量的大小和纠正的措施是必须由误差经反馈计算所确定的，这就形成了一个闭环反馈控制过程。

2.2自适应控制

在闭环反馈控制的基础上，再加上一个系统辨识过程称为自适应控制，整个控制系统就成为自适应控制系统误差识别过程。当结构模型计算结果与测量到的受力状态不相符时，在参数辨识算法中输入误差去调节计算模型的参数，使模型的实际测量到的结果与输出结果相一致，得到修正后的计算模型参数，重新计算各施工阶段的理想状态，结构进行控制按反馈控制方法进行，这样，经过几个工况的反复辨识后，计算模型就与实际结构基本上相一致了，在此基础上可以对施工状态进行更好的控制。该方法目前被广泛采用，并认为是较合理的施工控制方法之一。

2.3开环控制

对于结构和施工较简单的桥梁常采用开环控制，控制时，一般按照设计施工图进行施工，施工完成后的结构就基本上能达到设计和规范所要求的内力状态和线形。这种控制方法就是一个开环的施工控制过程，与闭环控制相比没有反馈。在开环控制方法中，控制是单向的，并不需要像闭环反馈控制那样根据结构的反应来改变施工中的内力和变形。在各构件的安装和制造精度高，或者结构安装和制造误差的影响不大时，这种方法是方便可行的，大部分中小桥采用的都是这种方法进行施工控制。但这种控制方法没有控制误差和修正误差的能力。

3. 桥梁施工控制结构分析方法

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中图分类号：TV331文献标识码： A

1引言

预应力混凝土连续刚构桥具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、伸缩缝少、养护简单以及抗震能力强等优点。其与连续梁的主要区别在于柔性桥墩的作用，使结构在竖向荷载作用下基本上属于一种墩台无推力的结构，而上部结构具有连续梁桥一般特点。

预应力混凝土连续刚构桥在施工过程中，由于桥梁结构的空间位置及形状随施工的进展将不断发生变化，要经过多次的体系转换过程，若同时考虑到施工过程中的结构自重、施工荷载以及混凝土材料的收缩、徐变、施工荷载等因素的影响，将可能导致桥梁合拢困难、成桥线形与设计要求不相符、设计状态难以保证等问题。因此，必须对大跨度桥梁的施工预拱度、主梁梁体内的应力等进行严格的施工控制。施工控制是连续刚构桥修建和发展必不可少的保证措施，主要包括几何（变形控制）、应力控制、稳定控制和安全控制，其中安全控制是桥梁施工控制的重要内容，变形控制、应力控制、稳定控制的综合体现。由于结构形式不同，直接影响施工安全的因素也不一样，在施工控制中需根据实际情况，确定其安全控制重点。

本文以温福铁路客运专线田螺大桥作为工程背景，对该桥悬臂浇筑施工过程进行了应力控制研究，对施工控制理论在工程实践中的具体运用进行了详细的分析，采用大型计算软件MIDAS/CIVIL对全桥进行了仿真模拟分析，并对实测值和计算值进行比较分析。

2. 工程背景及测试方法

温福铁路客运专线田螺大桥位于云淡门海纯潮区，通航净空为120 m×24 m，主跨为(88+160+88)m预应力混凝土连续刚构。全桥立面布置见图1。

图1 田螺大桥总体布置立面图（单位：cm）

梁体采用C60混凝土，墩柱采用C45混凝土，承台和桩基采用C30混凝土。预应力钢绞线均采用《预应力混凝土钢绞线》（GB/T5224-1995），标准强度1860MPa，直径15.2mm,弹性模量Ey=1.95x105MPa的低松弛钢绞线。

3 有限元计算模型的建立

田螺大桥为三跨高墩的大跨径连续刚构梁桥梁，分析计算采用有限元综合分析程序MIDAS/CIVIL， 且桥的单元类型采用MIDAS/CIVIL中的“变截面梁单元”，由2个节点构成的，是属于“等截面或变截面平面梁单元”，具有压、剪、弯的变形刚度。为了更真实的模拟实际工程现场，在MIDAS/Civil中材料的选取时混凝土选用自定义材料，从现场及实验室的资料定义材料参数。全桥计算模型共划分155个单元，164个节点，其中上部结构123个单元，桥墩32个单元，全桥采用“自适应控制法”进行施工监控。全桥计算模型如下图2所示。田螺大桥

图2田螺大桥有限元模型

4 成桥阶段内力及应力计算结果

施工控制仿真分析，就是通过合理的模型，采取有效的结构分析方法，对桥梁的成桥线形、受力状态和施工中的线形、受力状态进行一定精确度的模拟分析的过程。现以田螺大桥的成桥状态为例，在恒载+活载组合下结构的内力及应力见图3和图4.

（1）主梁弯矩图（kN.m）

图3全桥弯矩图

（2）主梁剪力图（kN）

图4全桥剪力图

（3）主梁应力图（MPa）：

图5全桥上缘应力图

图6全桥下缘应力图

通过图3-图9可以看出，成桥状态下的弯矩、剪力和应力完全符合设计要求以及满足铁路桥涵施工规范中对C60混凝土的抗压极限强度为20MPa，抗拉极限强度为1.17MPa的安全要求。

5 应力监控

在施工过程中，对每一节段的施工循环，在立模、混凝土浇筑之前、混凝土浇筑之后、张拉预应力之前、张拉预应力之后均应进行应力应变测试并与变形测试同时进行。

图7 计算应力与实测应力的比较

图8 计算应力与实测应力的比较

图11 计算应力与实测应力的比较

图4-34计算应力与实测应力的比较

通过以上的比较可以明显的看出，计算应力与实测应力的曲线形状大致相同，这说明本桥的有限元计算模型符合实际，施工也是基本符合规范要求的。对于梁段的上缘应力，实测值明显大于理论计算值，这是由于施工过程中预应力的超张拉及施工过程桥面上的施工荷载等引起的。对于梁段的下缘应力，则基本上表现为在20#块施工前实测应力小于计算值；而在20#块施工之后以及后续的合拢段施工中则表现为实测值大于计算值。这是由于前期受桥梁自重以及施工荷载影响导致箱梁下缘受压，抵消了一部分张拉的预应力，使得实测值偏小；而自20#块的施工开始桥梁即将合拢并完成体系转换，使下缘压力减小，实测值重新高于计算值。

由上述实测值与理论值的比较可以看出主梁应力实测值与理论计算值的误差较小，箱梁混凝土采用C60，在允许应力法施工中其抗压极限强度为20MPa，抗拉极限强度为1.17MPa，计算值及施工过程实测值均在规范限值之内，整个过程混凝土的应力是安全的。这说明混凝土浇注、预应力张拉以及合拢等施工过程是规范的，同时也说明了本文所采用的计算模型是正确的、计算结果是可靠的、测点的埋设是成功的，进而可以判断连续刚构桥在悬臂施工过程中是安全可行的。

6.结论

本论文从工程实际出发，以田螺大桥为工程依托，对大跨度预应力混凝土连续刚构桥施工监控、稳定性分析。监控过程表明，“自适应控制”理论能很好的适用于连续刚构桥的施工监控，只要系统逐渐过渡到自适应状态，桥梁状态即在控制之中。因此，对系统参数以及计算模型的修正是施工控制的核心内容。

结构自重误差在大跨度桥梁中普遍存在，并且对结构的变形和应力影响都很大，施工中应严格控制自重误差。本工程在施工过程中应力与位移均在控制范围内，并且实现了误差极其微小的主跨精准合拢，合龙后线形与预计线形有很好的吻合，可见田螺大桥的控制系统是有效的。

参考文献

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[3] 张永水, 曹淑上. 连续刚构桥线形控制方法研究. 中外公路，2006, 12 (6): 83-86

[4] 雷俊卿, 王楠. 预应力混凝土连续刚构桥施工监测与仿真分析. 铁道学报，2006, 4 (2):74-78

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引言

材料力学是机械专业的学科基础课，其教学目主要是为了后期专业课服务。它与机械设计、课程设计、毕业设计等息息相关。材料力学理论教学内容概念繁杂，定义抽象，学生不好学，老师不好讲。尤其是应力状态内容经常陷入只可意会不可言传的“微妙境界”。而其相关的课内实验教学往往以破坏性的验证性实验为主，其实验对应用型的本科生意义不大，而且其成本高，其实验器材具有不可重复性。在材料力学的教学过程中引入ANSYS软件可以弥补这些缺点。

一、ANSYS软件结构分析功介绍

（一）软件的结构分析处理过程

ANSYS有限元分析分为前处理过程；求解过程；后处理过程。前处理过程就是创建有限元模型；求解过程就是施加载荷并求解；后处理过程就是查看分析结果。ANSYS软件的CAD/CAE的协同环境AWE（ANSYS Workbench Environment）可直接读入各类绘图软件的零件模型。当然也可从ANSYS软件中直接建模。比如说汽车车架，车架的结构较为复杂，则可用CAD建模导入ANSYS中。对于前处理过程中关键性的网格划分，网格划分是比较繁琐费时的，对于缺乏经验的人来说很难准确完成，而其划分的准确性对求解过程会有很大的影响。ANSYS的网格划分是比较智能化的，对于学生们来说可以很好的弥补经验不足这一缺点。在分析求解过程中使用有限元方法进行分析求解时可先对一些条件进行假设，然后再引入已知的约束条件，来模拟实际的边界条件。通过计算车架在无阻尼状态下的固有频率和振形可分析其共振环境和频率。通用后处理器则可以把结果数据映射到任意路径上，可以观察某项结果数据沿路径的变化情况。

（二）软件结构分析内容

ANSYS软件中的结构静力分析很适合用于处于稳定外载荷引起的系统的应力应变。静力分析可以分析稳定的惯性力和随时间稳定变化的静载荷，比如说金属锚杆静力分析，首先利用ANSYS软件建立锚杆的原始模型，有原始模型推建几何模型，运用有限元分析可得出元件基本上都是从杆体部位断裂，想要提高锚杆的使用寿命，则需从杆体部位入手。运用ANSYS平台进行结构分析不仅有其实用价值，在教学中更能体现出其理论价值。

二、材料力学教学与ANSYS软件相结合

（一）材料力学教学与软件结合教学模式实施方案

对于应用型本科教学而言，可将传统的64（理论课时）+8（实验课时）改成50（理论课时）+22（软件教学）。对应用型本科材料力学中的实验全部用软件教学代替，再将理论教学中的一部分（公式推导、演示部分）学时也用于该软件的教学。当然，该软件在相关删掉的理论教学方面完全有替代作用，且其效果较传统教学模式好。

（二）实验教学内容用ANSYS软件的相关教学代替

传统的材料力学实验一般都是拉压、扭转变形的应力公式验证，这些实验大多为验证破坏性实验。而我校属于三本院校，培养出来的本科生以应用型为主。这些验证性实验对大部分本科生都没有什么实质性的意义。且这些实验对其公式的应用也并无益处，其破坏形式也很难从实验中观测出来。在引入ANSYS软件教学后，可利用其后处理模块动态演示实验过程，另外很重要的一点就是与实验室破坏性实验不同，ANSYS可重复多次演示实验过程，可大大节约实验材料，并加深学生们的理解。

（三）理论教学引入ANSYS软件

下面就在材料力学教学过程中那些内容要引入软件教学进行论述。

1.拉压扭转变形

通过ANSYS软件建造构件的拉压扭转变形模型。比如：圆形截面杆件的扭转变形，通过图例可以很好的看出圆形截面杆件扭转时各截面仍为平面。通过这种图例可直观简洁的看出杆件发生的变形，可以很好地帮助学生理解扭转变形，还可以节约教师课堂教学时间，提高教学效率。

2.压杆稳定

通过建立有限元分析，可使学生更容易理解用ANSYS软件的分析过程，在求解过程中，首先应当进行静力分析，得出静力解。再做特征值屈曲分析。ANSYS中有两种分析方法：线性（特征值）和非线性屈曲分析。其中线性屈曲分析与教材中的弹性屈曲分析方法类似，结果与欧拉解相同。屈曲过程的结果在结果文件中，文件中包含屈曲载荷系数、模态形状、相对应力分布等等。其结果与教材中的理论结果相吻合，这样就加深了学生对压杆失稳的理解。

3.组合变形

ANSYS强大的非线性分析能力可以有效的解决各类组合变形问题，例如：矩形截面梁的弯扭组合变形属于典型的几何非线性问题，这就需要用有限变形理论来解决。首先，可用ANSYS对矩形截面梁所受载荷的变形程度进行分析，将分析结果与实验结果进行对比，发现结果相差无几，由此可以看出，ANSYS完全可以模拟弯扭组合变形问题。这样不但节约了时间，而且更加方便学生理解掌握。

4.应力状态分析

通过有限元分析可以得出零件结构的工作特性。比如说应力集中问题。教材中一般只对影响因素进行说明，并未对影响后的结果做具体说明，以至于学生对于应力集中得不到更多了解与认识。教师可利用ANSYS软件对应力集中计算并分析其结果，即可帮助学生对其分析计算有更感性的理解。这样既可以帮助同学们系统的理解应力状态分布知识也有助于培养学生们的创新能力。

（四）教学效果

我校对材料力学这门课程在2010级机械专业试行这种教学模式。现在该年级学生已经快毕业。证明该年级的学生在后期的专业课中对于强度分析校核的应用的理解明显优于其他年级的。通过调研发现，在学生找工作的过程中，有ANSYS软件应用能力的学生更受欢迎。

三、结束语

ANSYS软件不但能够丰富理论教学内容，提升学生对于材料力学的兴趣，加深学生们对于教材理论认识，将其与课堂内容教学结合起来，可以有效地解决课堂中所遇到的一些疑难问题，拓宽学生们的知识面，熟悉所学的知识在实际工程当中的应用，为以后机械设计等专业课的学习打下基础。而且还可以培养学生们应用计算机的能力，促进学生掌握一门实用性很强的应用软件。这对于应用型本科人才的培养至关重要。

武昌工学院校级教学研究项目：（课题编号2012JY01）

课题名称：“实践+应用软件+理论”三结合模式课程体系的构建研究

[参考文献]

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[2]张功学；田杨.基于ANSYS Workbench的变速自行车车架的有限元分析【J】.西安.陕西科技大学.2009年6期

[3]黄飞；何忠韬；臧国群.基于ANSYS的高速动车车轮强度分析【J】.兰州.兰州交通大学.2013年1期

[4]李丽君；沈玉凤.ANSYS对于压杆稳定的辅助教学【J】.淄博.山东理工大学交通与车辆工程学院.2009（7）1期