圓形鋼護(hù)筒臨時(shí)存放受力性能研究

于文杰，謝曉鵬，高 波，楊 露

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.江蘇省交通工程集團(tuán)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；3.河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

1 工程背景

南村黃河特大橋是澠垣高速上的控制性節(jié)點(diǎn)工程，大橋呈南北走向，全長(zhǎng)約1 727.6 m，總寬33 m，單幅橋?qū)?6.25 m，幅間凈距0.5 m。全橋跨徑布置為：(1×30.6)m+(60+13×100+60)m+(9×30)m，其中主橋部分為15孔一聯(lián)，總長(zhǎng)1 420 m。

由于本工程處于小浪底庫(kù)區(qū)，水位深、變化大，為減少深水施工的投入與風(fēng)險(xiǎn)，P3～P16主墩設(shè)計(jì)采用超大直徑樁基礎(chǔ)，樁、柱一體式的下部結(jié)構(gòu)，主墩承臺(tái)下設(shè)置4根(2×2布置)直徑2.5 m樁基礎(chǔ)，橫橋向樁間距為6.25 m，順橋向間距為5.0 m。為方便下部結(jié)構(gòu)施工，P4～P16主墩所有高程+276 m以上部分墩身采用模板施工，直徑為2.8 m，混凝土標(biāo)號(hào)C40，+276 m以下至樁頂部分墩身采用鋼護(hù)筒施工，鋼護(hù)筒為永久性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)護(hù)筒進(jìn)入沖止標(biāo)高以下，具體進(jìn)入長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況確定，此段墩身混凝土采用C40水下混凝土。墩身鋼護(hù)筒采用Q345C鋼材制作，內(nèi)徑設(shè)計(jì)為3.0 m，壁厚25 mm，其技術(shù)指標(biāo)符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591-2008)。

單根樁基鋼護(hù)筒+210.0 m→+276.0 m總長(zhǎng)66 m，需分段輸運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，鋼護(hù)筒數(shù)量多、體積大，需要在施工現(xiàn)場(chǎng)備用大面積的空曠區(qū)域，由于場(chǎng)地限制，施工現(xiàn)場(chǎng)的鋼護(hù)筒只能堆疊放置，當(dāng)堆疊過高時(shí)，最下面一層的鋼護(hù)筒首先因其上鋼護(hù)筒的重量，擠壓變形甚至因上部荷載過大產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，影響后續(xù)樁基礎(chǔ)的施工。本文主要研究是的最下層鋼護(hù)筒在在可允許的變形范圍內(nèi)最多可堆放幾層護(hù)筒。

2 有限元模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

本文采用ansys模擬，鋼護(hù)筒采用shell63單元模擬。Shell63號(hào)單元為板殼單元，既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法荷載；本單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平東和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)力鋼化和大變形能力已經(jīng)考慮其中，可以模擬板殼的平面膜應(yīng)力和平面彎曲。

鋼護(hù)筒材料參數(shù)如表1所示。鋼護(hù)筒放置在地面，有限元模擬時(shí)，鋼護(hù)筒圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)，豎直向上為Y軸正向，水平向右為X軸正向，垂直向紙面向外為Z軸正向，如圖1所示，將y=-1.5 m的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行全約束，將力加載于y=1.5 m的節(jié)點(diǎn)，如圖2所示。

表1 鋼護(hù)筒有限元參數(shù)

圖1 有限元模型坐標(biāo)系示意圖

圖2 鋼護(hù)筒有限元模型及約束和加載方式示意圖

2.2 工況設(shè)置

本文共設(shè)置四種工況，工況一為放置兩層鋼護(hù)筒，工況二為放置三層鋼護(hù)筒，工況三為放置四層鋼護(hù)筒，工況四為放置五層鋼護(hù)筒，每種工況同時(shí)分析鋼護(hù)筒長(zhǎng)度的對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響。在有限元模擬時(shí)，不同工況可通過改變節(jié)點(diǎn)加載力的大小來實(shí)現(xiàn)，可通過計(jì)算鋼護(hù)筒的總合力平均分配到鋼護(hù)筒頂部節(jié)點(diǎn)上，如表2所示。

表2 不同工況節(jié)點(diǎn)力

3 結(jié)果分析

3.1 豎向變形分析

如圖3所示，為鋼護(hù)筒單段長(zhǎng)度為6 m時(shí)，放置不同層數(shù)鋼護(hù)筒最底層鋼護(hù)筒豎向位移云圖，圖(a)是放置兩層鋼護(hù)筒時(shí)底層鋼護(hù)筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-4.597 7 cm；圖(b)是放置三層鋼護(hù)筒時(shí)底層鋼護(hù)筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-7.681 5 cm，圖(c)是放置四層鋼護(hù)筒時(shí)底層鋼護(hù)筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-10.765 2 cm，圖(d)是放置五層鋼護(hù)筒時(shí)底層鋼護(hù)筒豎向位移云圖，最大豎向位移為-13.848 9 cm，從位移云圖分布狀況可知，最大位移均位于鋼護(hù)筒頂部，最小位移均位于鋼護(hù)筒底部與地面接觸的位置，隨著層數(shù)的增多，底層的鋼護(hù)筒承受壓力越來越大，其豎向變形也越大。

圖3 鋼護(hù)筒豎向位移云圖

如表3所示，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度不同時(shí)，放置不同層數(shù)鋼護(hù)筒最底層鋼護(hù)筒豎向位移極值表。分析表1中數(shù)據(jù)堆疊層數(shù)(高度)對(duì)底層護(hù)筒的豎向位移值影響很大，隨著堆疊層數(shù)的增加，豎向位移增大。護(hù)筒長(zhǎng)度對(duì)底層豎向位移值的影響較小，隨著護(hù)筒長(zhǎng)度的增加，其最大豎向位移值略微減小。

表3 底層鋼護(hù)筒最大豎向位移值/cm

3.2 水平向變形分析

如圖4所示，單段長(zhǎng)度為6 m時(shí)放置不同層數(shù)鋼護(hù)筒最底層鋼護(hù)筒水平向位移云圖，放置2層時(shí)底層護(hù)筒水平向最大位移值為2.104 9 cm(圖a)；放置3層時(shí)底層護(hù)筒水平向最大位移值為3.513 8 cm(圖b)；放置4層時(shí)底層護(hù)筒水平向最大位移值為4.922 8 cm(圖c)；放置5層時(shí)底層護(hù)筒水平向最大位移值為6.331 7 cm(圖d)；從位移云圖分布狀況可知，最大位移均在鋼護(hù)筒中間部位，最小位移均在豎向頂部和底部，層數(shù)越多其水平向變形也越大。

表4 底層鋼護(hù)筒最大水平向位移值/cm

如表4所示，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度不同時(shí)，放置不同層數(shù)鋼護(hù)筒最底層鋼護(hù)筒水平位移極值表。分析表2中數(shù)據(jù)堆疊層數(shù)(高度)對(duì)底層護(hù)筒的豎向位移值影響很大，隨著堆疊層數(shù)的增加，豎向位移增大。護(hù)筒長(zhǎng)度對(duì)底層豎向位移值的影響較小，隨著護(hù)筒長(zhǎng)度的增加，其最大水平位移值略微減小。

圖4 鋼護(hù)筒水平向位移云圖

3.3 應(yīng)力分析

材料(鋼材)處于復(fù)雜應(yīng)力狀況時(shí)判定材料是否進(jìn)入塑性階段通常采用米塞斯應(yīng)力指標(biāo)，米塞斯應(yīng)力(Mises應(yīng)力)是一種折算應(yīng)力，折算依據(jù)為能量強(qiáng)度理論，即第四強(qiáng)度理論。在三向應(yīng)力(立體應(yīng)力)作用下，Mises應(yīng)力可按下式計(jì)算：

圖5 鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力云圖

如圖5所示，單段長(zhǎng)度為6 m時(shí)放置不同層數(shù)鋼護(hù)筒最底層鋼護(hù)筒塞斯應(yīng)力云圖，放置2層時(shí)底層護(hù)筒應(yīng)力最大值為135 MPa(圖a)；放置3層時(shí)底層護(hù)筒應(yīng)力最大值為214 MPa(圖b)；放置4層時(shí)底層護(hù)筒應(yīng)力最大值為292 MPa(圖c)；放置5層時(shí)底層護(hù)筒應(yīng)力最大值為381 MPa(圖d)，鋼護(hù)筒頂部和頂部局部已經(jīng)發(fā)生屈服；從應(yīng)力云圖分布狀況可知，最大應(yīng)力均位于鋼護(hù)筒豎向頂部中心和底部中心。隨著堆疊層數(shù)的增加，米塞斯應(yīng)力極值隨之增大。

如表5所示，鋼護(hù)筒長(zhǎng)度不同時(shí)，放置不同層數(shù)鋼護(hù)筒最底層鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值表。分析表3中數(shù)據(jù)堆疊層數(shù)(高度)對(duì)底層護(hù)筒的米塞斯應(yīng)力值影響很大，隨著堆疊層數(shù)的增加，米塞斯應(yīng)力增大。當(dāng)放置5層時(shí)，最底層鋼護(hù)筒局部屈曲，產(chǎn)生破壞導(dǎo)致不能使用，護(hù)筒長(zhǎng)度對(duì)底層豎向位移值的影響較小，隨著護(hù)筒長(zhǎng)度的增加，其最大水平位移值略微減小。

表5 底層鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力最大值/MPa

4 結(jié) 論

本文針對(duì)鋼護(hù)筒堆放問題，采用ansys模擬，研究了鋼護(hù)筒的承載特性，并得到如下結(jié)論：

(1)隨著堆放層數(shù)的增多，底層的鋼護(hù)筒承受壓力越來越大，其豎向變形也越大，節(jié)點(diǎn)最大位移均位于鋼護(hù)筒頂部，最小位移均位于鋼護(hù)筒底部與地面接觸的位置，護(hù)筒長(zhǎng)度對(duì)底層節(jié)點(diǎn)豎向位移值的影響較小，隨著護(hù)筒長(zhǎng)度的增加，節(jié)點(diǎn)最大豎向位移值略微減小。

(2)隨著堆放層數(shù)的增多，底層的鋼護(hù)筒承受壓力越來越大，其水平向變形也越大。節(jié)點(diǎn)最大位移均位于鋼護(hù)筒中間部位，節(jié)點(diǎn)最小位移均位于鋼護(hù)筒頂部和底部節(jié)，護(hù)筒長(zhǎng)度對(duì)底層節(jié)點(diǎn)豎向位移值的影響較小，隨著護(hù)筒長(zhǎng)度的增加，節(jié)點(diǎn)最大豎向位移值略微減小。

(3)隨著堆放層數(shù)的增多，底層的鋼護(hù)筒承受壓力越來越大，隨著堆疊層數(shù)的增加，米塞斯應(yīng)力極值隨之增大。最大應(yīng)力均位于鋼護(hù)筒頂部和底部，且堆放5層時(shí)，鋼護(hù)筒豎向頂部和底部局部已經(jīng)發(fā)生屈。