預(yù)制箱涵吊裝及工作狀態(tài)數(shù)值分析

王少輝　黃胤超　姜明元

(1．中交一公局第一工程有限公司，北京　102205;2．湖南省高管局永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南吉首　416000)

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預(yù)制箱涵吊裝及工作狀態(tài)數(shù)值分析

王少輝1黃胤超2姜明元1

(1．中交一公局第一工程有限公司，北京102205;2．湖南省高管局永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南吉首416000)

摘要:采用ABAQUS有限元軟件，考慮箱涵施工吊裝過程及箱涵汽車移動(dòng)荷載作用，建立了箱涵及路基三維有限元模型，計(jì)算并分析了箱涵施工吊裝狀態(tài)及箱涵工作狀態(tài)下的應(yīng)力，提出了箱涵吊裝注意事項(xiàng)及箱涵結(jié)構(gòu)的建議，為預(yù)制箱涵施工提供參考。

關(guān)鍵詞:預(yù)制箱涵，吊裝，ABAQUS，應(yīng)力

0　引言

預(yù)制裝配式箱涵在鐵路上應(yīng)用較為廣泛，但是在公路上應(yīng)用較少，在市政工程中主要應(yīng)用在頂進(jìn)施工中［1，2］。國內(nèi)預(yù)制裝配式混凝土箱涵應(yīng)用較少，而國外地下管道中預(yù)制裝配式箱涵占有較大比例，在工程中大量應(yīng)用在公路建設(shè)領(lǐng)域施工現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)化的背景下，箱涵采用預(yù)制拼裝施工前景較為看好［3，4］。

預(yù)制箱涵的分析有理論計(jì)算方法、試驗(yàn)方法以及數(shù)值模擬方法［5，6］。理論計(jì)算方法計(jì)算過程繁瑣，試驗(yàn)方法成本大，耗時(shí)長，而數(shù)值模擬方法成本低，計(jì)算快，過程簡單，在大型結(jié)構(gòu)計(jì)算中，往往采用數(shù)值模擬的計(jì)算方法降低計(jì)算分析成本。

本文通過大型有限元軟件ABAQUS建立了預(yù)制箱涵的三維模型，分析了預(yù)制箱涵在施工吊裝及箱涵運(yùn)營過程中的應(yīng)力，通過應(yīng)力大小分析箱涵安全可靠性，為箱涵設(shè)計(jì)和施工提出建議，并為類似工程提供參考。

1　計(jì)算假定及模型

1．1計(jì)算假定

由于箱涵實(shí)際使用過程中可能會(huì)遇到不同情況，結(jié)果會(huì)受到各種條件的影響，而計(jì)算中難以考慮所有因素，故而需要對模型部分進(jìn)行簡化運(yùn)算。本次數(shù)值分析中采用如下假定:

1)預(yù)制箱涵，面層，基層與路堤采用彈性均質(zhì)各向同性材料; 2)不考慮水的影響;3)模型基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用非對稱算法。

1．2模型尺寸及材料參數(shù)

按照箱涵的不同形式，建立箱涵對應(yīng)的道路模型，如圖1所示。

圖1　箱涵及對應(yīng)的道路模型

箱涵對應(yīng)的道路模型采用三維八節(jié)點(diǎn)縮減積分單元，即C3D8R。

吊裝狀態(tài)下箱涵模型長度為10 m，寬度為6 m，根據(jù)箱涵形式不同，高度略有不同，本文研究了不同尺寸箱涵在工作狀態(tài)下的受力結(jié)構(gòu)特征，見表1。模型材料類型及參數(shù)如表2所示。

1．3模型荷載

1)吊裝荷載。吊裝分析采用靜力問題分析方法，對位于四個(gè)角點(diǎn)的吊環(huán)位置施加面荷載，模擬吊環(huán)的實(shí)際受力狀態(tài)，施加荷載如圖2所示。

表1　箱涵以及模型尺寸表

表2　模型材料類型與參數(shù)表

圖2　吊環(huán)所在面荷載分布示意圖

根據(jù)吊環(huán)的鋼筋面積，且荷載分布形式為圓形，可以換算出荷載加載的圓面半徑為0．023 m，且斜向荷載可以分解為豎向荷載和水平向荷載，荷載大小計(jì)算公式為:

其中，G為重力;S為每個(gè)吊環(huán)作用面積;r為吊環(huán)作用圓面的半徑;Ps為豎向荷載;Ph為水平向荷載。

箱涵自重取18．3 t，荷載面積計(jì)算為16．61 cm2，豎向荷載為27．9 MPa，水平向荷載為16．1 MPa。

2)工作荷載。模型采用移動(dòng)恒載，荷載大小為0．7 MPa，加載面積為(0．3×0．2)m2，汽車兩軸間距1．8 m，汽車行駛速度為90 km/h，為節(jié)省計(jì)算量，加載到涵洞中心線停止，自重加載1 s，取移動(dòng)荷載總加載時(shí)間為1．12 s，每一塊受荷面加載時(shí)間為0．08 s，以此模擬荷載的移動(dòng)。荷載加載示意圖如圖3所示。

圖3　道路加載示意圖

2　模擬結(jié)果及分析

由圖4可知，從整體受力特點(diǎn)上看四個(gè)吊點(diǎn)處存在應(yīng)力集中，箱涵頂板上半部分應(yīng)力相對較大，下半部分應(yīng)力相對較小，側(cè)壁靠近吊環(huán)的部分和節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)應(yīng)力也相對較大。但是從數(shù)值上看只有吊環(huán)附近應(yīng)力較大，其余部位的應(yīng)力很小，不超過1 MPa。而吊環(huán)附近的區(qū)域內(nèi)應(yīng)力有的超過了30 MPa，這是由于施加的荷載應(yīng)力較大導(dǎo)致，但實(shí)際工程中由于吊環(huán)是由鋼筋組成的，且存在鋼筋錨固長度分散應(yīng)力，故實(shí)際應(yīng)力應(yīng)小于模擬值。同時(shí)可以看出底板應(yīng)力相對很小，可以認(rèn)為底部施加的邊界條件未產(chǎn)生較大的影響，模型應(yīng)力分析結(jié)果正確。需要特別注意的是應(yīng)力結(jié)果與吊索的角度有一定的關(guān)系，實(shí)際中應(yīng)盡量增大吊索角度，減小水平向應(yīng)力，同時(shí)注意吊環(huán)附近的鋼筋補(bǔ)強(qiáng)與應(yīng)力分散效果。

當(dāng)汽車荷載移動(dòng)至道路箱涵中心線時(shí)，可以取箱涵頂面中心線橫向應(yīng)力的分布，如圖5所示。將不同尺寸箱涵計(jì)算結(jié)果繪制成應(yīng)力曲線，如圖6所示。

圖4　吊裝狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5　工作狀態(tài)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6　箱涵頂面中線應(yīng)力橫向分布圖

由圖6可知，第7種箱涵的應(yīng)力最大，其次是第8種，第9種箱涵的應(yīng)力，且可以看出箱涵頂面中心處的應(yīng)力最大，這是由于應(yīng)力擴(kuò)散的結(jié)果。所以取箱涵頂面中心處的應(yīng)力作為關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力作分析，除此之外，車輪位置下方的應(yīng)力也相對較大。提取箱涵內(nèi)側(cè)頂面中心處的應(yīng)力如圖7所示。

圖7　不同箱涵形式內(nèi)側(cè)頂面中心處應(yīng)力

由圖7可以看出第7種箱涵形式的內(nèi)側(cè)頂面中心處應(yīng)力最大，其次是第8，9種箱涵形式的應(yīng)力，這主要是受高跨比和箱涵跨度大小的影響?？缍仍酱螅呖绫仍叫?，應(yīng)力越大。

3　結(jié)論及建議

通過對本項(xiàng)目的預(yù)制箱涵進(jìn)行數(shù)值模擬，分析預(yù)制箱涵在翻轉(zhuǎn)，吊裝及使用狀況下的應(yīng)力狀態(tài)，分別探討了預(yù)制箱涵在這三種狀態(tài)下的受力特點(diǎn)。通過對箱涵翻轉(zhuǎn)和吊裝狀態(tài)采用靜力分析方法進(jìn)行分析，對使用狀態(tài)下的箱涵采用移動(dòng)恒載進(jìn)行加載，給出箱涵的應(yīng)力分布，得出以下結(jié)論及建議:

1)在箱涵吊裝狀態(tài)時(shí)，箱涵四個(gè)吊點(diǎn)處存在應(yīng)力集中，周邊呈應(yīng)力分散狀態(tài)，且箱涵頂板上半部分應(yīng)力較大，下半部分應(yīng)力相對較小，側(cè)壁靠近吊環(huán)的部分和節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)應(yīng)力也相對較大。應(yīng)力集中區(qū)域面積很小，只在吊環(huán)所在位置附近，應(yīng)當(dāng)對吊環(huán)附近位置進(jìn)行鋼筋補(bǔ)強(qiáng)，且吊環(huán)應(yīng)具有一定的錨固深度以分散應(yīng)力。需要特別注意的是應(yīng)力結(jié)果與吊索的角度有一定的關(guān)系，實(shí)際工程中應(yīng)盡量增大吊索角度，減小水平向應(yīng)力。

2)在箱涵使用狀態(tài)下，箱涵底部中心處與底部節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力較大，其他位置應(yīng)力相對較小。根據(jù)應(yīng)力圖形中應(yīng)力大小，不超過1 MPa，可以認(rèn)為箱涵在正常使用狀態(tài)下安全。但應(yīng)注意路基的不均勻沉降，溫度應(yīng)力，滲流等問題可能造成箱涵結(jié)構(gòu)的破壞或影響箱涵正常功能的使用，實(shí)際工程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些方面。

參考文獻(xiàn):

［1］靳志強(qiáng)，何繼選．預(yù)制裝配式箱涵在西部戈壁地區(qū)的應(yīng)用［J］．施工技術(shù)，2014(S1):141-145．

［2］符碧惠，李玉紅．預(yù)制裝配式箱涵的實(shí)用計(jì)算方法研究［J］．城市道橋與防洪，2011(12):143-145．

［3］郭瑞．高速公路淺覆土特長箱涵頂進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．西安:長安大學(xué)，2014．

［4］馬建勇．裝配式箱涵在公路建設(shè)中的推廣應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古公路與運(yùn)輸，2013(4):41-42．

［5］顏丹青．裝配式鋼筋混凝土管型通道現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009．

［6］朱吾中．涵洞土壓力的數(shù)值模擬分析［D］．太原:太原理工大學(xué)，2009．

·建筑材料及應(yīng)用·

Numerical analysis of prefabricated box culvert in condition of lifting and working

Wang Shaohui1Huang Yinchao2Jiang Mingyuan1
(1．No．1 Engineering Co．，Ltd．of FHEC of CCCC，Beijing 102205，China; 2．Hunan Highway Administration Bureau Office，Ltd．of Yongji Highway Construction Development Co．，Jishou 416000，China)

Abstract:Using the finite element software ABAQUS，models of prefabricated box culvert and subgrade are built．Stresses of prefabricated box culvert are calculated and analyzed considering the lifting load in construction and the moving load in working．Some appropriate suggestions to prefabricated box culvert construction and structure are proposed．The result can provide a reference to the construction of similar projects．

Key words:prefabricated box culvert，lifting，ABAQUS，stress

作者簡介:王少輝(1982-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-27

文章編號:1009-6825(2016)01-0114-02

中圖分類號:TU756

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A