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波纹涵管

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方拱形涵洞三維有限元分析

发表时间:2021-09-22 01:26:40
 
 
1、産品規格
凯发K8官网登陆_登录入口生産的QJXHG型號箱涵,橫截面跨度6m、淨高4.5m。現就箱涵安裝完成後的整體受力情況三維建模進行承載力模擬分析:
開挖溝槽後,箱涵底基層換填級配碎石墊層,高度600mm;箱涵頂部按對應路段的路基填築要求進行回填。
箱涵安裝效果圖與回填構造如圖1-3所示。

1  波纹钢箱涵安装示意圖

2  波紋鋼箱涵尺寸

3  箱涵回填構造

箱涵材料及回填土組成如表1所示:

 
 
2、數值建模
 

2.1 材料參數選取

本工程采用大型有限元軟件ABAQUS 2020進行模擬分析。

波紋鋼板通過建立三維殼單元來模擬,采用彈塑性本構模型,鋼材進入屈服階段後服從Von Mises屈服准則,此時取,如圖4所示。

波紋鋼板材料參數如表2所示:

各土層通過建立三維實體單元來模擬,采用摩爾-庫倫本構模型。各土層材料參數如表3所示:

箱涵基底處的碎石基礎墊層通過建立三維實體單元來模擬采用彈性模型碎石基礎墊層材料參數如4所示

 

2.2 模型的建立本模型3m進深爲例進行分析。

土體共包括三層土層,箱涵坐落于地基土層與碎石基礎墊層之上,箱涵上覆回填土層;其中,回填土層的高度分別取3m5m7m的工況,建立不同覆土高度的模型對照組,分析土體與結構的受力及變形特點。

箱涵數值模型分組設置如表5所示:

网格划分的单元类型选取与疏密程度对结构计算的结果有着非常重要的影响,过疏的网格会降祱D扑憔龋艿耐窕峤档圖扑阈省>运阌敕锤吹髡钪杖范撕鲜实牡ピ嘈陀胪衩芏取

波紋鋼板采用四結點曲面殼單元(S4R)進行分析,采用掃掠劃分技術,網格尺寸50mm;下部土層采用形狀規則的八結點線性六面體單元(C3D8R)進行分析,采用結構劃分技術,網格尺寸400mm;上部土層由于部件形狀較爲複雜,采用收斂性更好的六結點線性三棱柱單元(C3D6)進行分析,采用掃掠劃分技術,網格尺寸400mm,洞口處加密至150mm。网格划分具体情况如圖5所示:

2.3 相互作用

土體與波紋鋼箱涵之間采用“面—面”接觸,即定義接觸面之間的切向行爲與法向行爲:切向行爲定義罰函數控制摩擦,摩擦系數取值0.5;法向行爲定義“硬”接觸,約束執行方式爲罰函數,允許表面接觸後分離。

除此之外,其它所有接觸對均采用綁定約束連接(Tie)。

2.4 邊界條件

整個模型的前後表面約束法向平動自由度U1=0;左右表面亦約束法向平動自由度,即U3=0;底面約束所有方向上的平動自由度,即U1=U2=U3=0;顶面为自由端,即不定义任何邊界條件。

2.5 載荷作用

考慮到在實際施工條件中,箱涵主要只受回填土層的壓力荷載作用爲了模擬這種荷載條件,在箱涵结构、碎石基础垫层、回填土层上施加自重载荷。载荷设置如圖6所示:

 

 
 
3、結果分析
 

 

3.1 土體受力分析

以回填土層覆土高度爲5m的工况为例,土体竖向应力分布如圖7所示:

由云圖可知,箱涵安装完成并回填后,在土体自重及箱涵结构重力作用下,涵洞四角处受到的应力较大,尤其是拱脚处碎石垫层,局部最大应力在三种覆土高度工况下分别可达457kPa589kPa706kPa。從整體應力分布上來看,應力大小大體爲從下至上逐級遞減,符合回填施工土層的應力變化趨勢;此外,由于不同土層的剛度有差異,不同土層之間的交界面附近的應力幅度較大,易出現應力集中現象。

对箱涵周围的土体压力进行分析,分别取箱涵顶板与侧板附近共六个特征点,其土体最大应力在不同覆土高度时的分布规律及变化趋势如圖8所示:


8  箱涵周圍土體各特征點最大豎向應力分布規律

从圖8中可以看出,頂板附近土壓力呈現V”型,即兩側拱肩大,中間拱頂小的現象,且隨著覆土高度的增加,拱肩處壓力逐漸增大。

侧板附件土压力亦呈现出两端大中间小的现象,且拱脚处压力最大。随覆土高度的增加,侧板所承受的土压力逐渐增大。同时也表明,方拱形结构受到在回填荷載作用后,拱脚为方拱形涵洞提供了较大反力。

3.2 土體沈降分析

土体受重力作用的变形趋势如圖9所示:

9  土体变形趋势圖

从圖9中可以看出,土體變形主要以豎向沈降爲主,尤其是箱涵拱頂中央處沈降量最大;除此之外,箱涵兩側土體對箱涵結構有一定的擠壓作用,形成土體-結構相互作用。

竖向沉降为土体变形的控制参数,所以对土体竖向沉降进行重点监测。以回填土層覆土高度爲5m的工况为例,土体竖向变形分布如圖10所示:

从云圖中可以看出,最大土体沉降发生在箱涵顶部正中央,沉降量由中间向两侧、由上至下依次递减,上部土层变形呈漏斗状,下部土层变形呈W”狀。土體頂部中央部位最大沈降量在三種覆土高度工況下分別可達24mm33mm43mm,大致呈线性规律。不同覆土高度下的土体最大沉降(发生在箱涵顶板中间)如圖11所示。

3.3 箱涵結構受力分析

以回填土層覆土高度爲5m的工况为例,波纹钢箱涵应力分布与竖向变形趋势如圖12所示:

由应力云圖可得,在重力作用下,波纹钢箱涵应力呈对称分布,应力主要集中于四个连接点处,尤其是结构上部的两个连接点处(拱肩)应力集中最为严重,在三种覆土高度工况下最大应力分别可达180MPa261MPa328MPa;拱頂兩側處應力略大,分別約爲71MPa105MPa137MPa;除了以上位置,其余部位的波紋鋼板應力均較小,最大應力約爲50MPa64MPa79MPa。在三种覆土高度下箱涵各特征点最大应力分布及变化如圖13所示:

值得注意的是,應力在箱涵四角連接處高度集中,尤其是拱頂兩側的連接點。這是由于該部位承受有較大的彎矩作用,同時由于波形形狀的緣故使得其受壓面積較小,致使壓應力較大。可見波紋鋼板連接節點爲結構的最薄弱部位,理應將該部位作爲箱涵安全性的控制環節;其余部位的波紋鋼板應力均處于較小的區間,具有足夠的安全冗余。

3.4 箱涵結構變形分析

在波纹钢箱涵变形方面,与波纹钢管涵结构类似,波纹钢箱涵结构是柔性支护结构,相比于刚性结构,在荷載作用下自身会产生一定的自适应变形以调整内力分布。因此,允许结构发生一定量的变形。但是过大的变形量将会引起结构不能正常使用的现象,所以结构变形量是设计以及评价安全性和正常使用性的一项重要指标。波纹钢箱涵的变形趋势如圖14所示:

由上圖可知,波纹钢板箱涵整体上表现为下沉,主要是由于地基土在回填土荷載作用下发生压缩变形所致。从箱涵自身相对位移角度分析,发现拱顶中央处位移最大,并向两侧逐渐减小;两侧拱肩及拱腰处具有一定的侧向位移,但相对来说位移量有限。因此,应对波纹钢箱涵拱顶的竖向位移量进行重点监测。

由竖向变形云圖可得,在三种覆土高度下箱涵拱顶与拱底的最大竖向位移变化如圖15所示:

根據《GB 50017-2017 鋼結構設計標准》中的有關規定,目前鋼結構頂板(金屬屋面板)撓度容許值算法,有:

本文中研究對象箱涵跨度6m,根據上式計算,該箱涵頂板的撓度容許值爲40mm。从竖向变形云圖中可知,在覆土高度为3m5m7m時,箱涵頂板的淨撓度(拱頂豎向撓度與拱底豎向撓度的差值)分別約爲19mm27mm35mm,因此,從變形的角度評價,頂板具有一定的安全儲備。

3.5 波紋鋼箱涵與鋼筋混凝土箱涵對比

爲多方面評判波紋鋼箱涵的受力性能現將其與相同形狀、同等尺寸的鋼筋混凝土箱涵的受力情況與變形進行對比

該鋼筋混凝土箱涵采用C30混凝土澆築而成,板厚15cm,其余尺寸形状、材料属性、邊界條件、载荷设定等参数均与波纹钢箱涵相同,回填土层覆土高度取5m

波纹钢箱涵结构与钢筋混凝土箱涵结构的变形云圖见圖16,兩種箱涵均呈現出頂板中部位移較大,向兩側逐漸減小的現象,但混凝土箱涵變形明顯大于波紋鋼箱涵。