基于Midas/Civil的大體積混凝土料斗設(shè)計(jì)

大直徑樁的首灌混凝土量對(duì)于樁身的質(zhì)量有較大的影響，而一個(gè)大體積混凝土料斗直接關(guān)系了樁身的質(zhì)量及混凝土澆筑過(guò)程的安全。為了對(duì)大體積混凝土料斗設(shè)計(jì)分析，采用Midas/Civil有限元軟件進(jìn)行大體積混凝土料斗建模，分析料斗的變形特征，采用十字撐對(duì)料斗進(jìn)行了針對(duì)性加固，應(yīng)用軟件中的屈曲模塊分析兩種型鋼十字撐的臨界荷載系數(shù)。結(jié)果表明：料斗的最大變形存在于吊點(diǎn)處；在型鋼斷面面積相等的情況下，料斗內(nèi)撐時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮選用X、Y方向慣性矩相同的型鋼。

混凝土料斗； Midas/Civil； 屈曲分析

TU473.1+4A

建筑設(shè)備與建筑材料建筑設(shè)備與建筑材料

［定稿日期］2023-02-28

［作者簡(jiǎn)介］龔宋（1993—），男，本科，工程師，主要從事市政工程施工工作。

0" 引言

隨著國(guó)家大力發(fā)展公路、鐵路、市政等基建工程，建成了更多的大型橋梁，對(duì)于橋梁下部結(jié)構(gòu)的承載力要求逐漸變大，大直徑樁（Dgt;2.5 m［1］）越來(lái)越常見(jiàn)，而大直徑、大深度的樁基一般采用鉆孔灌注樁，混凝土的灌注方法通常有導(dǎo)管法、泵壓法、柔性管法等［2］，其中導(dǎo)管法更為實(shí)用，采用導(dǎo)管法時(shí)由于首灌混凝土方量不足常造成樁身質(zhì)量，樁易出現(xiàn)夾渣甚至斷樁。因此，應(yīng)當(dāng)針對(duì)樁基進(jìn)行首灌混凝土方量的計(jì)算，并采用相應(yīng)方量的混凝土料斗，而大體積混凝料斗自重大、導(dǎo)管及混凝土的荷載也較大，料斗易出現(xiàn)變形，影響料斗的安全使用。綜上，對(duì)于大體積混凝土料斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析是必要的。

Midas/Civil軟件是一個(gè)通用的空間有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于橋梁設(shè)計(jì)、臨時(shí)設(shè)施驗(yàn)算、工民用建筑［3］，該軟件自帶了大量的材料特性、建模助手，針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)有適合于多種情況下的國(guó)內(nèi)外規(guī)范，該軟件建模方法簡(jiǎn)單、分析快捷、可視化強(qiáng)、結(jié)果可靠性好，因此受到許多工程師及科研人員的青睞。因此，本文采用Midas/Civil軟件進(jìn)行混凝土料斗建模并進(jìn)行一系列分析，相比同類型的有限元軟件，采用Midas/Civil軟件建模更為簡(jiǎn)單，荷載種類也較為豐富，極大地節(jié)約了建模時(shí)間。

1" 工程概況

以四川成都某景觀人行橋?yàn)楣こ瘫尘埃摌蛄褐鳂虿牧蠟殇摬?，所用鋼材約6 240 t，共4個(gè)橋墩，每個(gè)橋墩下4個(gè)樁基，在基本組合作用下，樁基最大軸向壓力29 361 kN；橫橋向最大彎矩7 897 kN·m，順橋向最大彎矩2 013 kN·m；橫橋向最大水平剪力861 kN，順橋向最大水平剪力2 923 kN。

該橋梁選用的鉆孔灌注樁樁長(zhǎng)為30 m，樁徑為2.5 m，樁基間距6.5 m，樁體采用C50混凝土澆筑。根據(jù)JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》［1］要求，首灌混凝土計(jì)算方法及圖示見(jiàn)式（1）、圖1。

V=πD24（H1+H2）+πd24h1（1）

式中：V為灌注首批混凝土所需數(shù)量（m3）；D為樁孔直徑（m）；H1樁孔底至導(dǎo)管低端間距（m），取0.4 m；H2為導(dǎo)管初次埋置深度（m），取1 m；d為導(dǎo)管內(nèi)徑（m），取0.3 m；h1為樁孔內(nèi)混凝土達(dá)到埋置深度H2時(shí)，導(dǎo)管內(nèi)混凝土柱平衡導(dǎo)管外壓力所需的高度（m），取12.6 m。

通過(guò)式（1）計(jì)算，該樁基首灌混凝土量為7.76 m3，綜合考慮，可采用體積為6.7 m3混凝土料斗，首灌過(guò)程中，采用泵車向料斗中持續(xù)泵料可滿足首灌混凝土量要求。

2" Midas/civil建模

2.1" 料斗概況

料斗筒壁擬采用Q235鋼板制作，鋼板厚為4 mm，料斗內(nèi)徑為2.35 m，直筒高1.15 m，錐桶高1.05 m，錐桶底直徑和高均為0.3 m，料斗斷面細(xì)部尺寸如圖2所示。料斗共設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)水平面距吊鉤4 m，混凝土導(dǎo)管采用內(nèi)徑為0.3 m的常規(guī)導(dǎo)管，導(dǎo)管長(zhǎng)約37 m。

2.2" 有限元建模及結(jié)果

2.2.1" 建立節(jié)點(diǎn)

由于料斗俯視截面均為圓形，可采用建立輪廓后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的思路進(jìn)行建模，以Z軸作為旋轉(zhuǎn)中心，先確定Z方向節(jié)點(diǎn)間距，按料斗輪廓確定各節(jié)點(diǎn)的X和Y方向的值，再采用節(jié)點(diǎn)表格輸入各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)表1，按此表輸入后各節(jié)點(diǎn)如圖3所示。

建立單元前應(yīng)先旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，使其可以通過(guò)四點(diǎn)建立板單元，設(shè)置材料為Q235，設(shè)置截面特性為薄板，設(shè)置板厚為4 mm，點(diǎn)擊四點(diǎn)即可建立板單元，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令，設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度為1°，復(fù)制次數(shù)為359次即可形成料斗模型。在料斗上部設(shè)置吊鉤節(jié)點(diǎn)（邊界約束X、Y、Z方向的移動(dòng)），建立索單元連接4個(gè)吊點(diǎn)，至此，整個(gè)料斗模型已經(jīng)建立完畢，模型消隱圖如圖4所示。

建筑設(shè)備與建筑材料龔宋， 孫廣： 基于Midas/Civil的大體積混凝土料斗設(shè)計(jì)

2.2.3" 添加荷載

該模型考慮的荷載有自重、導(dǎo)管重、混凝土荷載。自重可直接通過(guò)“荷載—自重”進(jìn)行添加，自重方向?yàn)?Z；導(dǎo)管質(zhì)量可通過(guò)“荷載—節(jié)點(diǎn)荷載”添加相應(yīng)的荷載；混凝土荷載可通過(guò)“荷載—流體壓力荷載”進(jìn)行板單元的流體壓力加載。

2.2.4" 運(yùn)行結(jié)果

上述步驟完成后進(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果變形如圖5所示，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，料斗最大變形處位于吊點(diǎn)處，最大變形量約190 mm，變形方向?yàn)榱隙穬?nèi)部，為了保證料斗的安全使用，應(yīng)在料斗內(nèi)增加十字撐，支撐點(diǎn)宜布置在吊點(diǎn)處。十字撐擬采用C100×48×5.3/8.5槽鋼，十字撐設(shè)置為梁?jiǎn)卧砑雍筮M(jìn)行運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果變形如圖6所示，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，添加十字撐后，吊點(diǎn)處的變形得到了抑制，變形分布也更均勻，料斗的最大變形處在2個(gè)吊點(diǎn)之間，最大變形量約為6 mm，這種較小的變形，可考慮在料斗壁口進(jìn)行加厚處理或增加環(huán)形箍。

2.2.5" 十字撐屈曲分析

綜上可見(jiàn)，通過(guò)增加十字撐可以很好地抑制料斗的變形，而在實(shí)際使用過(guò)程中，料斗中的十字撐由于初始幾何缺陷、初始應(yīng)力、殘余應(yīng)力等影響，往往會(huì)發(fā)生屈曲，屈曲通常發(fā)生在型鋼的弱軸，如圖7所示。

為了保證料斗的安全性和適用性，需要對(duì)十字撐進(jìn)行屈曲分析，由圖8可見(jiàn)十字撐軸向力為1.3 kN。進(jìn)行屈曲分析時(shí)，考慮十字撐中心向上偏移1 cm的制造誤差，受到混凝土的上浮力為12 N。

單獨(dú)對(duì)十字撐進(jìn)行線彈性屈曲分析，以確定十字撐是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。采用Midas/Civil軟件可以較快進(jìn)行屈曲分析，分析步驟一般為：建立模型（建立節(jié)點(diǎn)、單元、邊界、荷載等）—屈曲分析控制—運(yùn)行分析—查看結(jié)果（屈曲模態(tài)），按此方法首先分析了C100×48×5.3/8.5槽鋼的穩(wěn)定性，屈曲模態(tài)結(jié)果如圖9所示，該結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)臨界荷載系數(shù)為76.1，滿足屈曲穩(wěn)定的要求，但在實(shí)際使用中存在疲勞損傷及初始幾何缺陷，料斗多次使用后會(huì)在弱軸方向加速結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。為了放置十字撐在弱軸方向失穩(wěn)，在此考慮X、Y方向慣性矩相等的材料進(jìn)行屈曲分析，將C100×48×5.3/8.5槽鋼替換為等面積的B80×4方管，分析B80×4方管的穩(wěn)定性，結(jié)果如圖10所示，該結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)臨界荷載系數(shù)為328.2，因此，在型鋼斷面面積相等的情況下，料斗內(nèi)撐時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮選用X、Y方向慣性矩相同的型鋼，如方管、圓管等。

3" 結(jié)論

本文以某景觀人行橋工程為例，采用Midas/Civil軟件進(jìn)行了大體積混凝土料斗的建模，并分析計(jì)算了大體積混凝土料斗的內(nèi)力及變形，并根據(jù)料斗的變形特點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性的局部加固。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出現(xiàn)的問(wèn)題，分析了料斗十字撐失穩(wěn)的情況，在型鋼斷面面積相等的情況下，料斗內(nèi)撐時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮選用X、Y方向慣性矩相同的型鋼。結(jié)果表明，該料斗的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性可以滿足要求，對(duì)于料斗進(jìn)行建模分析是十分必要的，也為類似結(jié)構(gòu)的快速建模提供了思路。

參考文獻(xiàn)

［1］"" 公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范： JTG T 3650 2020［S］. 北京：人民交通出版社， 2020.

［2］" 房江鋒，趙鑫波，郭秋蘋，等.超深大直徑旋挖樁水下混凝土灌注工藝研究［J］.山西建筑， 2022， 48（7）： 52-55.

［3］" 吳永盛， 謝云. Midas/Civil軟件在臨時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算的運(yùn)用［J］. 福建建筑， 2012（4）： 76-77.