蒲德龍 李立坤
(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司 貴陽 550081; 2.中交二公局第一工程有限公司 武漢 430014)
箱涵結(jié)構(gòu)不同計算模型的精度分析
蒲德龍1李立坤2
(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081;2.中交二公局第一工程有限公司武漢430014)
摘要運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化計算及Midas有限元通用軟件,對公路工程中某一常用的通用箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)受力分析。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化計算的結(jié)果與有限元的計算結(jié)果有一定的差距,有限元模型中,用不同單元類型模擬箱涵結(jié)構(gòu),也存在較大的差別,其中梁單元與板單元的計算結(jié)果基本一致,但實體單元的計算結(jié)果比其他方法計算的均要小很多;此外,箱涵結(jié)構(gòu)地基支撐剛度也會影響結(jié)構(gòu)的受力;小構(gòu)件的箱涵結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)受力并不是簡單的梁、板單元受力特性,而是一個復(fù)雜的空間受力狀況。
關(guān)鍵詞公路工程通用箱涵Midas FEA地基剛度
對于公路工程中通用箱涵的受力分析,現(xiàn)行的計算理論主要把空間問題轉(zhuǎn)化為平面問題,結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)和箱涵計算軟件,對箱涵進(jìn)行配筋計算和結(jié)構(gòu)驗算。然而,大部分的實際箱涵結(jié)構(gòu),都是與路線走向有一定的角度,有研究表明[1-2],當(dāng)斜交角度小于某一個值時,可以不考慮斜交的影響。近些年各大設(shè)計院普遍采用斜交轉(zhuǎn)正交來計算箱涵。當(dāng)然,對于斜交角度過大的的箱涵,也有其相應(yīng)的計算理論,那就是通過空間計算結(jié)構(gòu)的彎矩和扭矩,再以主方向上的彎矩和扭矩進(jìn)行設(shè)計配筋。對于這種斜交計算理論,海潮等[3]對其做了研究,王麗等[4]對斜交地道橋的力學(xué)特性做了研究,其研究的主要內(nèi)容是結(jié)構(gòu)的彎矩隨斜交角度的變換情況,對于結(jié)構(gòu)邊界條件支撐剛度的影響等問題并沒有涉獵。目前為止,無論是斜交箱涵還是正交箱涵,做的研究工作,都是在一種計算模式下進(jìn)行的,并未考慮計算模型的精度,同時,邊界條件均是假定在一個半無限大的彈性體上[5-6],在支撐剛度處理上,支撐剛度對結(jié)構(gòu)受力的影響并沒有做深入的分析。本文對一通用標(biāo)準(zhǔn)箱涵進(jìn)行多種計算模型下的結(jié)構(gòu)受力分析,得出相關(guān)結(jié)論,供箱涵結(jié)構(gòu)工程人員參考。
本合同段為牙同高速公路D標(biāo)段,項目起點位于青海省海東地區(qū)化隆縣哇加灘附近,設(shè)計起點樁號為K32+000,路線向南先后跨越S203省道和黃河,再由隆務(wù)峽1號長隧道穿越山體,出隧道后,路線終于青海省黃南州尖扎縣當(dāng)順鄉(xiāng)隆務(wù)峽口林業(yè)資源管理站附近,終點樁號為K37+000,路線全長5.012km。其中共有13處鋼筋蓋板涵和通道。
選取其中一座箱涵進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析,結(jié)構(gòu)尺寸及受力情況見圖1、圖2,設(shè)計參數(shù)及荷載參數(shù)見表1和表2。
圖1 結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位:cm)
圖2 結(jié)構(gòu)受力簡圖
表2 荷載參數(shù) kPa
本箱涵結(jié)構(gòu)的有限元模型分為平面桿系模型,空間板單元模型以及空間實體單元模型;桿系模型和板單元模型均考慮單元外偏心、無偏心、內(nèi)偏心3種情況,此外,由于箱涵看作為支撐在半無限體上的空間結(jié)構(gòu),在荷載或其他作用下,結(jié)構(gòu)是與地基一起發(fā)生變形的,故而,本模型考慮了地基支撐剛度對結(jié)構(gòu)受力的影響。
有限元模型基本假定:①箱涵結(jié)構(gòu)底面各點的支撐剛度一致;②不考慮箱涵結(jié)構(gòu)與地基的摩擦作用。實體模型離散圖見圖3。
圖3 空間實體模型單元離散圖
對箱涵中的鋼筋和混凝土進(jìn)行受力分析,在最不利荷載作用(1.2恒載+1.4活載)下,與結(jié)構(gòu)力學(xué)簡化計算所得的內(nèi)力進(jìn)行對比,表3~表5為幾種計算方法所得的彎矩內(nèi)力和應(yīng)力值。
表3 箱涵彎矩內(nèi)力值比較表 kN·m
注:構(gòu)建受壓為正。
表5 箱涵構(gòu)件內(nèi)側(cè)應(yīng)力比較表 MPa
由表3可見,箱涵構(gòu)件各部分在最不利荷載組合下,簡化計算結(jié)果與有限元程序算的結(jié)果有一定的差距,箱涵頂板的誤差最大為52%,最小5%;箱涵底板誤差最大為178%,最小11%;箱涵腹板誤差最大為963%,最小33%。而有限元的計算結(jié)果,3種方法之間的誤差卻很小,箱涵底板的誤差最大為3%,最小0%;箱涵底板誤差最大為18%,最小0%;箱涵腹板誤差最大為113%,最小0%。從數(shù)據(jù)變化情況來看,除個別點外,梁、板單元有限元的計算結(jié)果,能很好地吻合,而簡化計算與有限元計算之間有很大的差距,特別是腹板的計算;誤差大的原因是除了是由于數(shù)據(jù)量太小,導(dǎo)致誤差的百分率很大外,另外箱涵簡化計算邊界條件的部分假定,對腹板和底板的受力有很大影響。
圖4 空間實體單元應(yīng)力圖
從表4、表5,以及圖4的箱涵構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果來看,梁、板單元模型的應(yīng)力值,除腹板和底板的個別點外,大部分關(guān)鍵位置的應(yīng)力值很接近,比如頂板位置以及底板位置都能吻合得好。但實體單元的應(yīng)力計算結(jié)果要遠(yuǎn)小于簡化計算和梁、板單元模型的計算結(jié)果,部分位置的應(yīng)力計算結(jié)果,簡化計算與梁、板單元模型計算結(jié)果能很好地吻合,而與實體單元模型的計算結(jié)果有很大的差距,比如BE構(gòu)件的B位置內(nèi)側(cè),實體單元模型的應(yīng)力只有1.6MPa,而其他3種計算方法都在9MPa左右,并且大部分構(gòu)件的應(yīng)力值要遠(yuǎn)小于簡化計算和梁、板單元模型的計算。
分析原因,對于小構(gòu)件的箱涵結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)受力并不是簡單的梁、板單元受力特性,而是一個復(fù)雜的空間受力。對于彎曲平面尺寸大于1/10的構(gòu)件,截面變形不滿足平截面假定,而梁、板模型均是基于變形協(xié)調(diào)的平截面假定基礎(chǔ)上進(jìn)行,使得梁、板模型的計算結(jié)果偏大,模擬失真。此外,實體單元底板為一個面的邊界條件,而簡化計算和梁、板單元模型底板的約束情況集中到底板節(jié)點上,與實際的受力狀況有一定偏差,對于結(jié)構(gòu)受力不是簡單梁、板單元受力特性的小構(gòu)件的箱涵來說,這種邊界條件偏差的影響會更大。
(1) 構(gòu)件內(nèi)力方面,現(xiàn)行的簡化計算結(jié)果與有限元的計算結(jié)果有一定的差距,并且還與箱涵構(gòu)件位置有關(guān)。
(2) 箱涵邊界條件的假定,對腹板和底板的受力影響要大于頂板,并且把底板的約束情況集中到底板節(jié)點上,與實際的受力狀況會有一定偏差。
(3) 箱涵實體空間模型與簡化計算、梁、板單元的平面模型,計算結(jié)果有很大的差距,空間實體模型應(yīng)力值要遠(yuǎn)小于平面模型的應(yīng)力值,說明小構(gòu)件的箱涵結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)受力是一個復(fù)雜的空間受力狀況,桿系模型模擬會失真,實體模型模擬相對要可靠。
(4) 按平面桿系計算結(jié)果來對箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋,箱涵結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)會很大。
參考文獻(xiàn)
[1]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2]林文泉,朱爾玉,田杰.框架式地道橋考慮糾偏內(nèi)力影響的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].路基工程,2005(5):4-7.
[3]禹國輝,朱爾玉,李學(xué)民.斜交框架箱涵結(jié)構(gòu)在鈍角處的受力和配筋特點[J].北京交通大學(xué)學(xué)報,37(1):125-127.
[4]王麗,季日臣,伊新芳,等.斜交框架地道橋的力學(xué)特性[J].甘肅科學(xué)學(xué)報,2009,21(1):132-134.
[5]金理平,金明亮.地道橋的有限元法結(jié)構(gòu)分析[J].甘肅科技縱橫,2009,38(1):158-158.
[6]潘文怡.斜交框架地道橋的設(shè)計探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(6):79-81.
收稿日期:2015-04-11
DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.026