基于ANSYS的埋管交叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

符昌勝，黃 凱

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

夾巖水利樞紐北干渠西溪倒虹管進(jìn)、出口分別連接白馬大坡明渠、涼水井隧洞。倒虹管總長(zhǎng)529.6m，設(shè)計(jì)流量28.00m3/s，布置2根φ2.9m鋼管過(guò)水。結(jié)構(gòu)主要含進(jìn)出口段、進(jìn)出口的混凝土包管和跨河管橋段。為滿(mǎn)足周邊村寨交通，需對(duì)倒虹管上游段埋管上部公路進(jìn)行復(fù)建，設(shè)計(jì)采用板橋結(jié)構(gòu)橫跨，為減小板橋跨度，在雙管外包混凝土中部設(shè)置支撐，因此需復(fù)核上部壓力對(duì)外包混凝土以及鋼管的影響。

凹水河水庫(kù)工程右岸施工期進(jìn)場(chǎng)運(yùn)輸采用現(xiàn)有西溪河右岸鄉(xiāng)村泥結(jié)石道路接004縣道，泥結(jié)石路段長(zhǎng)5.3km，路基寬5-7m。該鄉(xiāng)村道路與夾巖水利樞紐工程北干3標(biāo)西溪河倒虹管上游埋管段(樁號(hào)0+166.818-0+178.818)交叉，埋管管徑2.9m，采用雙管布置，外包鋼筋混凝土最小厚度0.8m。經(jīng)復(fù)核本工程施工期通過(guò)最大車(chē)輛荷載為50t，為避免其對(duì)西溪河管槽的影響，對(duì)該段采取相應(yīng)工程措施。

2 C30板橋方案跨越西溪倒虹管管槽設(shè)計(jì)方案

2.1 方案說(shuō)明

考慮到現(xiàn)場(chǎng)工期要求緊、方便施工等因素，采用C30板橋方案跨越西溪倒虹管管槽，板橋長(zhǎng)度10.5m，寬度7m，橋板高度0.8m，兩側(cè)支座置于管槽兩側(cè)C20回填混凝土上，中間支座置于管槽管包混凝土中部位置，上下兩側(cè)支座處設(shè)置限位墩，下游側(cè)支座采用C25支座錨筋錨入管槽兩側(cè)C20回填混凝土中。板橋上部回填碎石土，回填高度不低于1.0m，頂部按原道路標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)。

2.2 材料參數(shù)

1)混凝土。橋板采用C30混凝土。參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1、表2。

表1 公路規(guī)范混凝土參數(shù)指標(biāo)

表2 水利規(guī)范混凝土參數(shù)指標(biāo)

2)受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3、表4。

表3 公路規(guī)范鋼筋參數(shù)指標(biāo)

表4 水利規(guī)范鋼筋參數(shù)指標(biāo)

2.3 橋板荷載及配筋計(jì)算

橋板設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)

根據(jù)為規(guī)范《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)車(chē)輛重軸傳力方式如下：

1)橋板受力荷載計(jì)算。因板橋上部回填碎石土，根據(jù)規(guī)范車(chē)輛荷載下傳分布原則，可得：總荷載見(jiàn)表5。

表5 總荷載

2)配筋計(jì)算。取橋板單寬1m作為計(jì)算單元，根據(jù)橋板受力分析，當(dāng)車(chē)輪處于單跨跨中時(shí)，其橋板所受彎矩最大，采用此工況進(jìn)行橋板受力鋼筋計(jì)算，當(dāng)車(chē)輪處于中間支座處時(shí)，中間支座反力最大，采用此工況對(duì)下部管槽混凝土局部承壓復(fù)核。

2.4 局部受壓承載力計(jì)算

由于下部支座兩邊為素混凝土，按照下部支座為素混凝土進(jìn)行局部承壓驗(yàn)算根據(jù)SL191-2008P33第5.4.1素混凝土構(gòu)件的局部受壓承載力驗(yàn)算符合下列規(guī)定：

KFl≤ωβlfcAl
βl=(Ab/Al)0.5

(1)

式中：K為承載力安全系數(shù)；Fl為局部受壓面上作用的局部荷載或局部壓力設(shè)計(jì)值，N；Al為局部受壓面積，mm2；βl為混凝土局部受壓時(shí)的強(qiáng)度提高系數(shù)；Ab為混凝土局部受壓時(shí)計(jì)算底面積(mm2),根據(jù)局部受壓面積與計(jì)算底面積同心對(duì)稱(chēng)原則確定可按下圖取用；ω為荷載分布影響系數(shù)，當(dāng)局部受壓區(qū)內(nèi)的荷載為均勻分布時(shí)，取ω=1；當(dāng)局部荷載為非均勻分布時(shí)取ω=0.75；fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)值。

表6 混凝土構(gòu)件的局部受壓承載力驗(yàn)算

結(jié)論：局部承壓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 有限元復(fù)核

3.1 計(jì)算模型與參數(shù)

按照設(shè)計(jì)圖紙資料及現(xiàn)場(chǎng)情況建立板橋及倒虹吸管管槽段的三維有限元模型。其中，x向以指向模擬汽車(chē)順道路行駛方向?yàn)檎?；y軸方向取鉛直方向，以向上為正；z軸為管軸向，以向上為正；板橋結(jié)構(gòu)總跨度為10.5m，基巖范圍上下游延伸15m，寬度方向取7m，地基向下延伸21m。有限元模型中考慮板橋結(jié)構(gòu)、倒虹吸管包管混凝土結(jié)構(gòu)等的實(shí)際體型，共形成實(shí)體單元65900個(gè)，倒虹吸管本身采用殼單元模擬，共形成殼單元1800個(gè)。

3.2 計(jì)算荷載與邊界條件

整個(gè)計(jì)算模型，對(duì)基巖側(cè)邊界施加法向約束，底邊界施加全約束。在模型頂部，施加覆土壓力(按1.0米深計(jì))及車(chē)輛荷載，其中，車(chē)輛荷載隨時(shí)間變化位置，以模擬實(shí)際車(chē)輛駛過(guò)該板橋結(jié)構(gòu)的過(guò)程。

3.3 計(jì)算結(jié)果

本節(jié)分析板橋結(jié)構(gòu)在荷載作用下的應(yīng)力及變形情況，考慮車(chē)輛荷載隨時(shí)間的變化，并選取板橋結(jié)構(gòu)整體及倒虹吸管進(jìn)行分析，具體計(jì)算結(jié)果如下:

圖1-圖2分別為各時(shí)刻車(chē)輛荷載作用下的最大主壓應(yīng)力及豎向位移的云圖；圖3-圖4分別為倒虹吸管最大主壓應(yīng)力及豎向位移分布情況。

圖1 主壓應(yīng)力分布云圖(t=9.1)

圖2 主壓應(yīng)力分布云圖(t=12.1)

圖3 主壓應(yīng)力分布云圖(t=9.1)

圖4 主壓應(yīng)力分布云圖(t=12.1)

從圖中可以看出，除邊界局部應(yīng)力集中區(qū)域外，板橋結(jié)構(gòu)及倒虹吸管結(jié)構(gòu)內(nèi)部大部分區(qū)域主壓應(yīng)力值<0.1MPa。由于兩側(cè)約束的邊界部位出現(xiàn)應(yīng)力集中情況，故選取左側(cè)倒虹吸管中間截面圓頂部及底部節(jié)點(diǎn)作為代表點(diǎn)，并分析其最大主壓應(yīng)力變化情況。圖5為各時(shí)刻倒虹吸管中間截面代表點(diǎn)主壓應(yīng)力隨時(shí)間變化過(guò)程。

圖5 中間截面底部及頂部主壓應(yīng)力隨時(shí)間變化歷程

從圖5中可看出，各個(gè)時(shí)刻最大主壓應(yīng)力值為72.9kPa，相應(yīng)的時(shí)間為20.6；此時(shí)，雙后輪處于板橋中線位置附近，符合一般規(guī)律；對(duì)應(yīng)地，總的豎向位移最大為1.12×10-4m。

4 結(jié) 論

本章在設(shè)計(jì)圖紙的基礎(chǔ)建立了板橋及倒虹吸管結(jié)構(gòu)的整體三維有限元模型，對(duì)倒虹吸管的受力及變形情況進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算過(guò)程中考慮了動(dòng)態(tài)的進(jìn)場(chǎng)道路車(chē)輛荷載及覆土自重對(duì)板橋結(jié)構(gòu)及倒虹吸管的影響。結(jié)果表明，車(chē)輛行駛過(guò)程中鋼管頂部最大主壓應(yīng)力為72.9kPa，最大豎向變形僅0.1mm，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求圓度偏差5D/1000=14.5mm。因此，在包管混凝土及板橋結(jié)構(gòu)的保護(hù)下，車(chē)輛荷載對(duì)倒虹吸管結(jié)構(gòu)的影響較小，不會(huì)影響該結(jié)構(gòu)的安全。