李　寧

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

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U型槽結(jié)構(gòu)三維有限元分析

李寧

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

【摘要】文章結(jié)合某線新建時速200 km/h客運無砟軌道鐵路U型槽工程實例，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立U型槽三維有限元模型，計算了U型槽結(jié)構(gòu)在各個工況荷載下的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布特點及規(guī)律，并對其結(jié)果進行分析、總結(jié)。結(jié)果顯示，完建工況是U型槽結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制工況，但由于結(jié)構(gòu)在施工期下受力特征較完建期、運行期有較大區(qū)別，因此施工工況在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需單獨檢算，應(yīng)引起設(shè)計者的重視。三維有限元計算結(jié)果與理論計算結(jié)果特點、規(guī)律吻合，其結(jié)論為其他類似的巖土或結(jié)構(gòu)工程提供了重要參考。

【關(guān)鍵詞】U型槽；三維有限元；ANSYS

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)推進，鐵路及公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到了迅猛發(fā)展。U型槽作為一種適用于地下水豐富、地下水位較高、放坡條件受到限制的挖方路基地段的新型結(jié)構(gòu)，同時具有節(jié)約土地資源、環(huán)境影響小的特點，因此在近幾年的高速鐵路建設(shè)[1]、城市交通建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。

作為一種新型結(jié)構(gòu)，U型槽結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及失穩(wěn)機理等計算研究仍處于經(jīng)驗階段，現(xiàn)階段常用計算方法一般將U型槽計算模型分為邊墻和底板分別計算[2]，業(yè)內(nèi)尚無針對該結(jié)構(gòu)的成套計算方法或設(shè)計規(guī)范。而一般結(jié)構(gòu)計算軟件采用平面桿系單元模擬U型槽結(jié)構(gòu)，彈簧單元模型地基梁邊界條件[3-4]，不能確定忽略結(jié)構(gòu)空間性及地基的連續(xù)性對計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，因此采用三維有限元理論對U型槽結(jié)構(gòu)的理論計算方法進行對比驗證具有重大的實際意義。

近年來，三維有限元計算已廣泛應(yīng)用于工程實際問題的研究。在計算中采用三維實體單元模擬U型槽結(jié)構(gòu)及其邊界條件，回避了平面桿系結(jié)構(gòu)的缺點。文本結(jié)合鐵路工程實例，運用大型通用有限元軟件ANSYS建立三維模型，充分考慮施工及運行期荷載作用，揭示U型槽結(jié)構(gòu)在不同工況下的

應(yīng)力、變形分布規(guī)律。

1工程概況

某線新建時速200 km/h客運無砟軌道鐵路U型槽(圖1)。該段屬沖積平原區(qū)，地形平坦，相對高差5～10 m；表水不發(fā)育，砂卵石土中孔隙潛水發(fā)育，水質(zhì)一般，對混凝土無侵蝕性，而基巖裂隙水對混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽侵蝕；無不良地質(zhì)，特殊巖土為人工填土、軟土及松軟土、膨脹巖、石膏，段內(nèi)工程地質(zhì)條件一般。地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。工程參數(shù)如下：

(1)結(jié)構(gòu)尺寸：邊墻高H=6 m，厚度0.9 m，底板寬16.6 m，高1.0 m，趾板寬1.5 m；

(2)設(shè)計水位：運營階段地下水位為地表以下1.0 m；

(3)墻背回填卵石土參數(shù)：容重γ=21 kN/m3，浮容重γ`=11 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=35°，粘聚力c=0 kPa；

(4)墻后堆載：運營階段墻后堆載20 kN/m2；

(5)材料：U型槽底板、邊墻均采用C35混凝土。

圖1　U型槽代表橫斷面

2三維有限元模型

2.1計算范圍及結(jié)構(gòu)離散

為了消除模型邊界對U型槽結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算影響，確定有限元計算模型范圍為：鉛直向頂部取至地表，底部取至底板下20 m，橫向取U型槽兩側(cè)邊界約26 m范圍，共70 m，線路防線取15 m。模型坐標(biāo)系選取如下：

X向：水平垂直于線路方向；

Y向：水平沿線路方向；

Z向：垂直于XY平面，鉛直向上。

U型槽及周圍土體結(jié)構(gòu)主要采用空間8節(jié)點等參實體單元，為了突出計算重點區(qū)域，降低計算成本，U型槽結(jié)構(gòu)單元向周圍土體逐漸采取6節(jié)點等參實體單元進行退化。整個計算域共離散為23 904個節(jié)點，21 870個實體單元(圖2)。

圖2　U型槽三維有限元模型網(wǎng)格

2.2計算工況及荷載組合

施工首先開挖基坑，之后施工U型槽主體結(jié)構(gòu)，將U型槽主體澆筑前的位移視為零，采用生死單元法計算初始應(yīng)力場，并在其余工況計算前讀入。施工計算工況U型槽主體澆筑完成，墻后尚未回填，基坑采取降水措施。完建期為墻后回填完畢，U型槽結(jié)構(gòu)周圍土體仍處于降水狀態(tài)。運行工況主要計算運營階段不同荷載組合效應(yīng)下U型槽主體結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。不同工況下荷載組合見表1。

表1　不同工況下荷載組合

3有限元計算結(jié)果整理

3.1施工工況計算結(jié)果整理

施工期U型結(jié)構(gòu)澆筑完畢后應(yīng)力分布主要受結(jié)構(gòu)自重影響(圖3)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在底板底部兩側(cè)，量值約為0.45 MPa；由于邊墻外側(cè)基坑尚未回填，邊墻內(nèi)未出現(xiàn)拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)墻角處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象；整體水平向位移接近于零。

圖3　施工工況大主應(yīng)力分布(以拉為正，單位：Pa)

3.2完建工況計算結(jié)果整理

完建期U型槽邊墻兩側(cè)基坑回填完畢，應(yīng)力分布受土壓力影響發(fā)生較大變化(圖4)，底板頂以受壓為主，底板底以受拉為主，底板底部拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在中部，向兩側(cè)過渡拉應(yīng)力量值逐漸減小；邊墻整體外側(cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，量值由墻頂至墻角逐漸增大，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在外側(cè)墻角處，量值約為3.95 MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在邊墻內(nèi)側(cè)墻角處，量值約為5.53 MPa；邊墻受土壓力影響向凌空面方向變位(圖5)，水平位移量值沿線路方向呈對稱分布，最大位移值出現(xiàn)在兩側(cè)墻頂，量值約為2.38 cm。

圖4　完建工況大主應(yīng)力分布(以拉為正，單位：Pa)

圖5　完建工況X向位移分布(沿X正方向為正，單位：m)

3.3運行工況計算結(jié)果整理

運行工況下U型槽大小主應(yīng)力分布整體規(guī)律與完建期基本相同。由于地下水水位恢復(fù)，墻后堆載施加，應(yīng)力量值較完建期略有增大，其中運行工況1下墻體最大拉應(yīng)力達6.06 MPa，運行工況2下墻體最大拉應(yīng)力達6.72 MPa；運行工況下兩側(cè)墻體均向U型槽內(nèi)側(cè)凌空面變位，其中運行工況1下墻頂最大水平位移4.37 cm，運行工況2下最大水平位移 4.39 cm(圖6～圖8)。

圖6　運行工況1大主應(yīng)力分布(以拉為正，單位：Pa)

圖7　運行工況2大主應(yīng)力分布(以拉為正，單位：Pa)

4結(jié)束語

(1)三維有限元分析方法能夠很好的反映U型槽結(jié)構(gòu)與周圍邊界條件聯(lián)合工作的特征，能夠準(zhǔn)確反映不同工況下U型槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布規(guī)律。

(2)施工期U型槽結(jié)構(gòu)僅受結(jié)構(gòu)自重及地基基礎(chǔ)影響，

圖8　運行工況2小主應(yīng)力分布(以拉為正，單位：Pa)

引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力量值較小，但仍需要注意地基基礎(chǔ)穩(wěn)定性，并做好臨時排水措施，以確保其施工期的安全性。此外，由于結(jié)構(gòu)在施工期受力特征較完建期、運行期有較大區(qū)別，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需單獨檢算。

(3)完建期U型槽邊墻受土壓力影響出現(xiàn)拉應(yīng)力，因此在墻背回填前應(yīng)保證墻身混凝土達到足夠強度方可施工，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在墻體外側(cè)墻角處，并隨著高度增加迅速衰減，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)重點考慮該部分應(yīng)力集中區(qū)域。

(4)運行期U型槽結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力分布規(guī)律與完建期相

似，但量值均有所增大，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)重點檢算運行期下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外對比運行工況1與運行工況2的計算結(jié)果，可以得出運行工況2下U型槽結(jié)構(gòu)所受荷載為最不利荷載組合，設(shè)計時應(yīng)重點考慮。

參考文獻

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[作者簡介]李寧(1984～)，男，巖土工程碩士，工程師，主要從事鐵路工程設(shè)計工作。

【中圖分類號】U416.1+4

【文獻標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-11-26