高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析.docx
- 文档编号:16451583
- 上传时间:2023-07-13
- 格式:DOCX
- 页数:7
- 大小:20.43KB
高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析.docx
《高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析.docx(7页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析
高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析
高填方路基大孔径钢波纹管涵洞有限元分析邓玉训1,杨波2,梁养辉3,胡滨3(1.江西省九江市公路管理局,江西九江332001;2.中交第二公路工程局隧道工程公司,陕西西安710071;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075)摘要:
通过钢波纹管涵洞管周不同断面的应变值的有限元计算结果与现场实测结果进行对比,采用有限元模型,对不同填土高度在公路-Ⅰ级荷载作用下的钢波纹管涵洞受力变形进行分析。
结果表明:
管顶0°~管周45°的压应变逐渐增大,而管周150°~180°逐渐减小,管周45°~120°波动变化;波峰和波侧都在管周120°出现最大应变值,而波谷在管周90°出现最大应变值;管周90°、120°应作为重点位置观测。
关键词:
高填方路基;大孔径;钢波纹管涵洞;有限元分析目前,国内专家对小孔径(孔径小于4m)钢波纹管涵洞进行了深入研究,但对大孔径(孔径大于4m)钢波纹管涵洞的研究较少,高填方路基大孔径钢波纹管涵洞的受力特征没有系统的研究成果,更没有施工控制指标[5-8]。
本文以井睦高速直径5m钢波纹管涵洞现场试验为依托,采用有限元对不同填土高度公路-Ⅰ级荷载作用下钢波纹管涵洞受力变形进行分析,为大孔径钢波纹管涵洞在高路基情况下的应用提供参考。
1试验涵洞情况及管内应变片布置1.1钢波纹管涵洞基本情况本文以桩号K30+465处直径为5m的钢波纹管涵洞为依托。
钢波纹管参数为:
波高55mm,波长200mm,采用Q235A热轧钢板制成,并采用表面热浸镀锌防腐。
该钢波纹管涵洞路基填土高度为20.65m。
1.2现场测试管内应变片布置方案沿路中心0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°、150°、180°波峰、波谷、波侧管周径向布设应变片,共计27个点,如图1、2所示。
现场通过静态应变仪测试荷载作用下钢波纹管涵洞的管内应变,并收集整理测试数据。
图1钢波纹管涵测试断面应变片布设图2管中心应变片布设2钢波纹管涵洞有限元计算2.1单元类型选取和材料类型钢波纹管采用壳体单元,线形材料;土体采用solid单元,非线性材料,选择Drucker-Prager模型,输入土体的c(黏聚力)、φ(内摩擦角)值[9-10]。
为了模拟现场情况,将模型分层填筑,并根据现场地质、土质、含水量等条件设置材料参数,具体见表1[11-12]。
表1材料参数材料类型弹性模量/Pa泊松比密度/(kg·m-3)黏结力/kPa内摩擦角/(°)钢波纹管2.1×10110.37850天然砂砾4.5×1070.182100030管顶填土3.5×1070.35190030212.2网格划分用工作平面将管上不规则的图形切割开,尽量切成规则形状,然后将规则图形和不规则图形分开划分网格,网格形状为四边形。
用精度更高的mapped命令划分网格,如图3所示。
图3划分网格后的钢波纹管将土体单元取成六面体八节点实体单元,在满足精度的条件下将管四周的土体划分得密一些,远离管子的土体划分尺寸可以大一些。
单元数目控制在5万~10万个,具体见图4、5。
图4钢波纹管网格划分图5模型网格划分整体2.3边界条件钢波纹管涵洞一般采用反开槽回填施工,为了准确模拟现场,确定以下边界条件:
在土体底部约束所有位移和扭转自由度,加ALLDOF约束,管两侧里面施加水平方向约束(Ux),顶部施加荷载(P),其余面自由,如图6所示。
图6边界条件2.4加载求解设置好非线性选项中的载荷步、子步和其他相关参数后进行加载求解。
由于计算模型是从工程构筑物实体中切割出来的,在施加顶面荷载时,考虑周围土体对其产生的影响,应减去所取模型周围土体分担的荷载。
因为路面荷载在土体中垂直向下扩散,所以计算出传递到波纹管顶的均布压力大小和分布区域,再将此值按分布区域施加在模型顶面。
3不同填土高度下钢波纹管涵洞有限元计算应变值与实测结果对比分析为了真实模拟现场分层填土的情况,建模时应分层递加,所加厚度即为分层填土的厚度。
为了计算方便且不影响计算精度,模型侧向和下方填土至少为1倍直径宽度[13-14]。
钢波纹管为薄壳结构,它产生的最大挠度与其厚度同量级,且当薄壳加载临界力时,壳体会发生突然的大变形[15]。
如果结构经受大的变形,其几何形状可能会引起非线性响应,响应的刚度也将发生变化,这时需要采用大变形的几何非线性分析方法。
3.1波峰计算值与测试值对比分别对填土至管顶上0.3、4、16m时路中管周不同角度波峰计算值与实测值进行比较,结果如图7~9所示。
图7填土至管顶上0.3m波峰计算值与现场测量值对比图8填土至管顶上4m波峰计算值与现场测量值对比图9填土至管顶上16m波峰计算值与现场测量值对比3.2波谷计算值与测试值对比分别对填土至管顶上0.3、4、16m时路中管周不同角度波谷实测值与计算值进行比较,结果如图10~12所示。
由于测试数据较多,这里仅取其中具有代表性的关键测点作对比分析。
由图7~12可看出:
有限元理论计算值所呈现出的应变变化规律与现场实测应变变化规律是一致的,大多数测点的两值非常接近,差异较小;个别测点计算值与实测值差异较大。
图10填土至管顶上0.3m计算波谷值与现场测量波谷值对比图11填土至管顶上4m计算波谷值与现场测量波谷值对比图12填土至管顶上16m计算波谷值与现场测量波谷值对比原因为:
一方面,现场的自然条件(如温度、风速等)、应变片与管壁的黏贴紧密程度、应变片与连接线的焊接效果等对观测结果都有一定的影响,使得测试结果有一定的误差,不能真实反映管壁的受力状态;另一方面,模型只能近似模拟工程实际,不可能替代工程实际[16-17]。
因此,运用有限元所得的理论计算值和实测值在个别点存在较大差异是不可避免的,但不影响对整个应变变化规律的分析。
通过对钢波纹管涵洞进行力学性能有限元计算分析可知:
用有限元建立模型对钢波纹管涵洞进行计算分析,其精度满足工程实际需求。
按照所选边界条件分析的结果与工程实际拟合比较理想,利用有限元软件对钢波纹管涵洞力学性能进行计算分析是可行的。
4不同填土高度公路-Ⅰ级荷载作用下钢波纹管有限元计算结果分析分别对填土至管顶上0.5、6、11.2、20.65m时,车辆荷载作用于管顶位置路中管周不同角度波峰、波谷切向应变变化规律进行分析。
4.1荷载及计算结果4.1.1公路-Ⅰ级荷载依据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004),公路-Ⅰ级车辆荷载立面、平面尺寸如图13所示,主要技术指标见表2。
计算过程中车辆荷载载重为55t。
图13车辆荷载立面、平面尺寸表2车辆荷载的主要技术指标车辆总重标准值/kN550轮距/m1.8前轴重标准值/kN30前轮着地宽度及长度/m0.3×0.2中轴重标准值/kN2×120中、后轮着地宽度及长度/m0.6×0.2后轴重标准值/kN2×140车辆外形尺寸(长×宽)/m15×2.5轴距/m3+1.4+7+1.44.1.2计算结果计算工况如表3所示,计算结果见图14~17。
表3公路-Ⅰ级荷载作用下有限元计算工况工况填土高度荷载位置1管顶上0.50m车辆后轴中心位于管顶处2管顶上6.00m车辆后轴中心位于管顶处3管顶上11.20m车辆后轴中心位于管顶处4管顶上20.65m车辆后轴中心位于管顶处4.2管周切向应变变化规律分析填土至管顶上0.5m时,荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图18所示。
从图18可以看出:
波峰在管顶0°为拉应变,管周15°减小,管周30°转化为压应变,30°~90°压应变变化较小,管周120°迅速增大后又逐渐减小;波谷整体上为压应变,0°~30°逐渐减小,30°~180°逐渐增大,管周180°达到最大值;波侧整体上为压应变,0°~120°逐渐增大,而120°~180°逐渐减小,且在120°出现图14填土至管顶上0.5m荷载作用下管涵洞应力分布图15填土至管顶上6m荷载作用下管涵洞应力分布图16填土至管顶上11.2m荷载作用下管涵洞应力分布最大压应变。
综上可以看出:
管顶0°~管周15°波峰为拉应变;波谷、波侧为压应变,且30°~60°逐渐增大;波谷在管周60°~180°压应变继续增大,在180°出现最大值;波峰、波侧应变先增大后减小,在管周120°出现最大值。
填土至管顶上6m时,荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图19所示。
从图19可以看出,波峰沿管周角度变化切向应图17填土至管顶上20.65m荷载作用下管涵洞应力分布图18填土至管顶上0.5m管周切向应变随角度的变化图19填土至管顶上6m管周切向应变随角度变化变在管顶0°~管周60°为压应变且逐渐增大,管周60°、90°、180°的变化规律为先减小、再增大、后减小。
管顶0°、管中90°、管底180°应变值接近于0。
最大压应变在管周120°。
波谷整体上为压应变,管顶0°~管周60°逐渐增大,在管中90°突然增大后又减小,管周120°~180°保持不变,在管周90°出现应力集中。
波侧整体上为压应变,管顶0°~管周60°逐渐增大,在管中90°突然减小后又逐渐增大。
综上可以看出:
波峰、波谷、波侧整体上都为压应变。
管顶0°~管周45°压应变都逐渐增大,且波谷处最大,波峰处最小;而管周150°~180°压应变逐渐减小,从大到小依然是波谷、波侧、波峰;管周45°~120°波动变化。
波峰和波侧在管周120°出现最大应变值,波谷在管周90°出现最大应变值。
当填土至管顶上11.2m时,荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图20所示。
图20填土至管顶上11.2m管周切向应变随角度的变化从图20可以看出,波峰、波谷、波侧整体上都为压应变。
管顶0°~管周45°压应变逐渐增大,且由大到小依次为波谷、波侧、波峰;而管周150°~180°压应变逐渐减小,大小顺序依然是波谷、波侧、波峰。
波峰和波侧在管周120°出现最大应变值,波谷在管周90°出现最大应变值。
波峰、波谷、波侧均在管周60°~120°波动幅度较大,说明随着填土高度的增加,钢波纹管受力已经不仅仅是最初以车辆荷载为主的受力,而是填土的自重和车辆荷载共同作用。
当填土至管顶上20.65m时,荷载作用下路中管周切向应变变化规律如图21所示。
图21填土至管顶上20.65m管周切向应变随角度的变化对比图21和图19可看出,两者的波峰、波谷、波侧变化规律相似,仅数值大小不同,故不重述。
对图18~21进行对比分析,可以看出:
在车辆荷载作用下,填土至管顶上0.5m应变的变化规律不明显,填土至管顶上6、11.2、20.65m应变曲线变化规律相似,仅数值上逐渐增大。
这说明钢波纹管的主要受力从车辆荷载变化为车辆荷载与填土自重共同作用,最后变为只有填土自重。
除填土至管顶上0.5m时的波峰外,其他波峰、波谷、波侧整体上都为压应变。
管顶0°~管周45°压应变逐渐增大,从大到小依次为波谷、波侧、波峰;而管周150°~180°压应变逐渐减小,且大小关系依然是波谷、波侧、波峰;管周60°~120°压应变波动变化。
车辆荷载下,不同填土高度的波峰应变变化幅度均大于波谷和波侧,且波谷和波侧变化曲线有一定对称性。
波峰和波侧都在管周120°出现最大应变值,波谷在管周90°出现最大应变值。
5结语本文采用有限元对荷载作用下大孔径钢波纹管涵洞的受力特征进行了详细分析,主要得到以下结论。
(1)当钢波纹管涵洞填土到一定高度时,公路I级荷载作用下管周应变变化规律为:
波峰、波谷、波侧整体上都为压应变;管顶0°~管周45°压应变都逐渐增大,由大到小依次为波谷、波侧、波峰;而管周150°~180°压应变逐渐减小,且大小关系依然是波谷、波侧、波峰;管周45°~120°压应变波动变化。
(2)填土至管顶上0.5m到管顶上20.65m,钢波纹管主要受力经历了车辆荷载、车辆荷载与土重量共同作用、填土自重的变化过程。
管周90°、120°施工时应作为重点位置进行观测。
(3)目前,国内对高填方路基大孔径(直径大于4m)钢波纹管涵洞在公路工程中的应用还较少,关于其受力变形研究更少,本研究对同类钢波纹管涵洞应用有一定参考价值。
本文对静态荷载下钢波纹管涵洞的受力特征进行了详细分析,但未考虑动态荷载的作用,在进一步研究中,应增加对动态荷载下钢波纹管涵洞受力情况的研究。
参考文献:
[1]陈昌伟.波形钢板结构及其在公路工程中的应用[J].公路,2000(7):
48-54.[2]范晓明,张春光.浅议钢波纹管涵在高填方应路基上的应用[J].企业导报,2012(10):
294-294.[3]李长江,胡滨,梁养辉,等.季冻区浅埋地基钢波纹管涵洞施工关键技术[J].筑路机械与施工机械化,2016,33(10):
91-94.[4]张红宇,胡滨,梁养辉,等.大孔径钢波纹管涵洞分层土压力及效益分析[J].筑路机械与施工机械化,2015,32(12):
70-72.[5]胡小兵,李祝龙,梁养辉,等.高路堤钢波纹管涵与钢筋混凝土拱涵土压力对比分析[J].筑路机械与施工机械化,2015,32(9):
40-45.[6]孙伯文,李祝龙,刘洪林.大孔径钢波纹涵洞在河北公路中的应用研究[J].山西建筑,2010,36(8):
263-264.[7]高彦婷,李永刚.沟埋箱形涵洞垂直土压力的有限元模拟分析[J].科学之友,2008(27):
15-16.[8]李祝龙,章金钊.高原多年冻土地区波纹管涵应用技术研究[J].公路,2000
(2):
28-31.[9]贾彦武.公路路基钢波纹管涵洞受力与变形特性室内模拟试验研究[D].西安:
长安大学,2012.[10]明艳.公路钢波纹管涵洞设计内容[J].黑龙江交通科技,2011,34
(1):
101-102.[11]刘刚.高填方路堤下钢波纹管涵洞受力与变形特性研究[D].西安:
长安大学,2012.[12]骆志红.大直径钢波纹管涵有限元计算分析[J].交通科技,2011
(1):
40-42.[13]唐赛,李祝龙,梁养辉,等.双层钢波纹管涵注浆有限元分析[J].筑路机械与施工机械化,2015,32(7):
77-81.[14]刘百来.钢波纹管材料在公路工程中的应用[D].西安:
长安大学,2004.[15]周义雄,梁养辉,李祝龙,等.钢波纹管涵洞在公路工程中的应用研究[J].筑路机械与施工机械化,2013,30(11):
48-55.[16]冯忠居,乌延玲,贾彦武,等.钢波纹管涵洞受力与变形特性模拟试验研究[J].岩土工程学报,2013,35
(1):
187-192.[17]安静洁.钢波纹管涵施工工艺及技术要求[J].山西交通科技,2006(6):
39-40.FiniteElementAnalysisofLargeDiameterCorrugatedSteelPipeCulvertofHighEmbankmentDENGYu-xun1,YANGBo2,LIANGYang-hui3,HUBin3
(1.JiujiangHighwayAdministration,Jiujiang332001,Jiangxi,China;2.TunnelEngineeringCompanyofCCCCSecondHighwayEngineeringCo.,Ltd.,Xi'an710071,Shaanxi,China;3.CCCCFirstHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Xi'an710075,Shaanxi,China)Abstract:
Bycomparingtheresultsofstrainvaluesofdifferentsectionsofthecorrugatedsteelpipeculvertobtainedbyfiniteelementcalculationandfieldtest,thefiniteelementmodelwasappliedtocarryouttheanalysisofdeformationofthecorrugatedculvertunderΙ-levelloadwithdifferentdepthsoffill.Theresultsshowthatthecompressivestrainat0°~45°ofthecircumferencegraduallyincreases,whilethecompressivestrainat150°~180°ofthecircumferencegraduallydecreases,andthevalueat45°~120°ofthecircumferencefluctuates;boththemaximumstrainvaluesofthecrestandthewavesideappearat120°ofthecircumference,whilethatofthetroughappearsat90°ofthecircumference;spotsat90°and120°ofthecircumferencearekeylocationstoobserve.Keywords:
highembankment;largediameter;corrugatedsteelpipeculvert;finiteelementanalysis中图分类号:
U449.5文献标志码:
B文章编号:
1000-033X(2017)09-0070-060引言钢波纹管结构最早诞生于英国,后美国、日本、韩国对其进行了可行性研究,目前已经得到广泛应用,并制定了相关的标准、规范。
中国于20世纪90年代引进钢波纹管,1997年首次在青藏高速进行了应用。
李祝龙等对青藏高速冻土区钢波纹管进行研究,结果表明钢波纹管涵洞施工过程对地基扰动小且不渗水,有利于保持多年冻土地区的水热平衡,达到保护冻土、整治青藏公路涵洞工程病害的目的,可有力解决多年冻土地区涵洞工程病害,提高涵洞工程在多年冻土地区的使用寿命[1-2]。
李长江等对季冻区钢波纹管涵洞的施工进行了分析,解决了钢波纹管涵洞在东北季冻区的应用难题,并总结形成季冻区浅埋地基钢波纹管涵洞施工技术[3]。
张红宇等对施工过程中钢波纹管涵洞的受力特征进行了研究,并对钢波纹管涵洞与普通混凝土涵洞的造价、施工工期等进行对比分析,证实了其优异的经济效益和社会效益[4]。
李晓勇等通过车辆荷载的作用,得出了低路堤钢波纹管涵的应变变化规律。
收稿日期:
2017-02-21作者简介:
邓玉训(1976-),男,江西瑞昌人,高级工程师,研究方向为公路工程管理与养护。
[责任编辑:
高甜]
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 填方 路基 孔径 波纹管 涵洞 有限元分析