王少輝　黃胤超　姜明元

(1．中交一公局第一工程有限公司，北京　102205;2．湖南省高管局永吉高速公路建設開發(fā)有限公司，湖南吉首　416000)

?

預制箱涵吊裝及工作狀態(tài)數(shù)值分析

王少輝1黃胤超2姜明元1

(1．中交一公局第一工程有限公司，北京102205;2．湖南省高管局永吉高速公路建設開發(fā)有限公司，湖南吉首416000)

摘要:采用ABAQUS有限元軟件，考慮箱涵施工吊裝過程及箱涵汽車移動荷載作用，建立了箱涵及路基三維有限元模型，計算并分析了箱涵施工吊裝狀態(tài)及箱涵工作狀態(tài)下的應力，提出了箱涵吊裝注意事項及箱涵結(jié)構(gòu)的建議，為預制箱涵施工提供參考。

關(guān)鍵詞:預制箱涵，吊裝，ABAQUS，應力

0　引言

預制裝配式箱涵在鐵路上應用較為廣泛，但是在公路上應用較少，在市政工程中主要應用在頂進施工中［1，2］。國內(nèi)預制裝配式混凝土箱涵應用較少，而國外地下管道中預制裝配式箱涵占有較大比例，在工程中大量應用在公路建設領(lǐng)域施工現(xiàn)場標準化的背景下，箱涵采用預制拼裝施工前景較為看好［3，4］。

預制箱涵的分析有理論計算方法、試驗方法以及數(shù)值模擬方法［5，6］。理論計算方法計算過程繁瑣，試驗方法成本大，耗時長，而數(shù)值模擬方法成本低，計算快，過程簡單，在大型結(jié)構(gòu)計算中，往往采用數(shù)值模擬的計算方法降低計算分析成本。

本文通過大型有限元軟件ABAQUS建立了預制箱涵的三維模型，分析了預制箱涵在施工吊裝及箱涵運營過程中的應力，通過應力大小分析箱涵安全可靠性，為箱涵設計和施工提出建議，并為類似工程提供參考。

1　計算假定及模型

1．1計算假定

由于箱涵實際使用過程中可能會遇到不同情況，結(jié)果會受到各種條件的影響，而計算中難以考慮所有因素，故而需要對模型部分進行簡化運算。本次數(shù)值分析中采用如下假定:

1)預制箱涵，面層，基層與路堤采用彈性均質(zhì)各向同性材料; 2)不考慮水的影響;3)模型基于Mohr-Coulomb屈服準則，采用非對稱算法。

1．2模型尺寸及材料參數(shù)

按照箱涵的不同形式，建立箱涵對應的道路模型，如圖1所示。

圖1　箱涵及對應的道路模型

箱涵對應的道路模型采用三維八節(jié)點縮減積分單元，即C3D8R。

吊裝狀態(tài)下箱涵模型長度為10 m，寬度為6 m，根據(jù)箱涵形式不同，高度略有不同，本文研究了不同尺寸箱涵在工作狀態(tài)下的受力結(jié)構(gòu)特征，見表1。模型材料類型及參數(shù)如表2所示。

1．3模型荷載

1)吊裝荷載。吊裝分析采用靜力問題分析方法，對位于四個角點的吊環(huán)位置施加面荷載，模擬吊環(huán)的實際受力狀態(tài)，施加荷載如圖2所示。

表1　箱涵以及模型尺寸表

表2　模型材料類型與參數(shù)表

圖2　吊環(huán)所在面荷載分布示意圖

根據(jù)吊環(huán)的鋼筋面積，且荷載分布形式為圓形，可以換算出荷載加載的圓面半徑為0．023 m，且斜向荷載可以分解為豎向荷載和水平向荷載，荷載大小計算公式為:

其中，G為重力;S為每個吊環(huán)作用面積;r為吊環(huán)作用圓面的半徑;Ps為豎向荷載;Ph為水平向荷載。

箱涵自重取18．3 t，荷載面積計算為16．61 cm2，豎向荷載為27．9 MPa，水平向荷載為16．1 MPa。

2)工作荷載。模型采用移動恒載，荷載大小為0．7 MPa，加載面積為(0．3×0．2)m2，汽車兩軸間距1．8 m，汽車行駛速度為90 km/h，為節(jié)省計算量，加載到涵洞中心線停止，自重加載1 s，取移動荷載總加載時間為1．12 s，每一塊受荷面加載時間為0．08 s，以此模擬荷載的移動。荷載加載示意圖如圖3所示。

圖3　道路加載示意圖

2　模擬結(jié)果及分析

由圖4可知，從整體受力特點上看四個吊點處存在應力集中，箱涵頂板上半部分應力相對較大，下半部分應力相對較小，側(cè)壁靠近吊環(huán)的部分和節(jié)點內(nèi)側(cè)應力也相對較大。但是從數(shù)值上看只有吊環(huán)附近應力較大，其余部位的應力很小，不超過1 MPa。而吊環(huán)附近的區(qū)域內(nèi)應力有的超過了30 MPa，這是由于施加的荷載應力較大導致，但實際工程中由于吊環(huán)是由鋼筋組成的，且存在鋼筋錨固長度分散應力，故實際應力應小于模擬值。同時可以看出底板應力相對很小，可以認為底部施加的邊界條件未產(chǎn)生較大的影響，模型應力分析結(jié)果正確。需要特別注意的是應力結(jié)果與吊索的角度有一定的關(guān)系，實際中應盡量增大吊索角度，減小水平向應力，同時注意吊環(huán)附近的鋼筋補強與應力分散效果。

當汽車荷載移動至道路箱涵中心線時，可以取箱涵頂面中心線橫向應力的分布，如圖5所示。將不同尺寸箱涵計算結(jié)果繪制成應力曲線，如圖6所示。

圖4　吊裝狀態(tài)應力計算結(jié)果

圖5　工作狀態(tài)應力計算結(jié)果

圖6　箱涵頂面中線應力橫向分布圖

由圖6可知，第7種箱涵的應力最大，其次是第8種，第9種箱涵的應力，且可以看出箱涵頂面中心處的應力最大，這是由于應力擴散的結(jié)果。所以取箱涵頂面中心處的應力作為關(guān)鍵點的應力作分析，除此之外，車輪位置下方的應力也相對較大。提取箱涵內(nèi)側(cè)頂面中心處的應力如圖7所示。

圖7　不同箱涵形式內(nèi)側(cè)頂面中心處應力

由圖7可以看出第7種箱涵形式的內(nèi)側(cè)頂面中心處應力最大，其次是第8，9種箱涵形式的應力，這主要是受高跨比和箱涵跨度大小的影響?？缍仍酱?，高跨比越小，應力越大。

3　結(jié)論及建議

通過對本項目的預制箱涵進行數(shù)值模擬，分析預制箱涵在翻轉(zhuǎn)，吊裝及使用狀況下的應力狀態(tài)，分別探討了預制箱涵在這三種狀態(tài)下的受力特點。通過對箱涵翻轉(zhuǎn)和吊裝狀態(tài)采用靜力分析方法進行分析，對使用狀態(tài)下的箱涵采用移動恒載進行加載，給出箱涵的應力分布，得出以下結(jié)論及建議:

1)在箱涵吊裝狀態(tài)時，箱涵四個吊點處存在應力集中，周邊呈應力分散狀態(tài)，且箱涵頂板上半部分應力較大，下半部分應力相對較小，側(cè)壁靠近吊環(huán)的部分和節(jié)點內(nèi)側(cè)應力也相對較大。應力集中區(qū)域面積很小，只在吊環(huán)所在位置附近，應當對吊環(huán)附近位置進行鋼筋補強，且吊環(huán)應具有一定的錨固深度以分散應力。需要特別注意的是應力結(jié)果與吊索的角度有一定的關(guān)系，實際工程中應盡量增大吊索角度，減小水平向應力。

2)在箱涵使用狀態(tài)下，箱涵底部中心處與底部節(jié)點處應力較大，其他位置應力相對較小。根據(jù)應力圖形中應力大小，不超過1 MPa，可以認為箱涵在正常使用狀態(tài)下安全。但應注意路基的不均勻沉降，溫度應力，滲流等問題可能造成箱涵結(jié)構(gòu)的破壞或影響箱涵正常功能的使用，實際工程中應重點關(guān)注這些方面。

參考文獻:

［1］靳志強，何繼選．預制裝配式箱涵在西部戈壁地區(qū)的應用［J］．施工技術(shù)，2014(S1):141-145．

［2］符碧惠，李玉紅．預制裝配式箱涵的實用計算方法研究［J］．城市道橋與防洪，2011(12):143-145．

［3］郭瑞．高速公路淺覆土特長箱涵頂進關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．西安:長安大學，2014．

［4］馬建勇．裝配式箱涵在公路建設中的推廣應用［J］．內(nèi)蒙古公路與運輸，2013(4):41-42．

［5］顏丹青．裝配式鋼筋混凝土管型通道現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學，2009．

［6］朱吾中．涵洞土壓力的數(shù)值模擬分析［D］．太原:太原理工大學，2009．

·建筑材料及應用·

Numerical analysis of prefabricated box culvert in condition of lifting and working

Wang Shaohui1Huang Yinchao2Jiang Mingyuan1
(1．No．1 Engineering Co．，Ltd．of FHEC of CCCC，Beijing 102205，China; 2．Hunan Highway Administration Bureau Office，Ltd．of Yongji Highway Construction Development Co．，Jishou 416000，China)

Abstract:Using the finite element software ABAQUS，models of prefabricated box culvert and subgrade are built．Stresses of prefabricated box culvert are calculated and analyzed considering the lifting load in construction and the moving load in working．Some appropriate suggestions to prefabricated box culvert construction and structure are proposed．The result can provide a reference to the construction of similar projects．

Key words:prefabricated box culvert，lifting，ABAQUS，stress

作者簡介:王少輝(1982-)，男，工程師

收稿日期:2015-10-27

文章編號:1009-6825(2016)01-0114-02

中圖分類號:TU756

文獻標識碼:A