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        城市道路橋梁跨越輸水箱涵模擬分析

        2021-10-21 12:46:58齊亞靜
        河北水利 2021年9期
        關(guān)鍵詞:箱涵摩擦角樁基

        齊亞靜

        隨著城市的建設(shè)發(fā)展,城市道路不斷增加,與之交叉的各種管線跨越工程隨之增加,對管線的安全維護(hù)造成影響,特別是城市不可或缺的大型輸水箱涵,城市道路大多采用橋梁形式跨越,如何滿足城市發(fā)展建設(shè)的需要,同時又保證管線工程的安全,成為必須解決的緊要問題。

        由于土體具有彈塑性的特點(diǎn),很難計算管線與跨越工程之間的相互影響,隨著計算機(jī)圖形處理和分析技術(shù)的進(jìn)步,有限元分析計算方法可以很好地解決這一問題。

        MidasGTSNX是一款針對巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件,不僅支持線性/非線性靜力分析、線性/非線性動態(tài)分析、滲流和固結(jié)分析、邊坡穩(wěn)定分析、施工階段分析等多種分析類型,而且可進(jìn)行滲流—應(yīng)力耦合、應(yīng)力—邊坡耦合、滲流—邊坡耦合、非線性動力分析-邊坡耦合等多種耦合分析。廣泛適用于地鐵、隧道、邊坡、基坑、樁基、水工、礦山等各種實際工程的準(zhǔn)確建模與分析。

        1.計算模型及參數(shù)選取

        城市道路橋梁跨越輸水箱涵采用一跨40m,梁高1.2m,左右幅橋?qū)捑?2.5m,橋下凈空約2m,這樣既可減小跨越工程對箱涵的影響,又可為箱涵檢修開挖預(yù)留空間,橋梁下部結(jié)構(gòu)采用一字型橋臺,鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁基直徑1.2m,樁長43m;為保證箱涵檢修開挖時的安全,在灌注樁與箱涵之間設(shè)防護(hù)樁,樁徑1.0m,防護(hù)樁間距1.2m,樁長24m,樁頂設(shè)置冠梁,確保防護(hù)樁的整體性,防護(hù)樁成U型布置,防護(hù)樁與箱涵外側(cè)邊緣凈距8m。

        箱涵型式為3孔4.4m×4.4m輸水箱涵,總寬度為15.30m,高度為5.6m,箱涵頂部距離地面3m。

        為模擬橋梁和防護(hù)樁對箱涵的影響,采用MidasGTSNX巖土有限元分析軟件建立3D立體應(yīng)變有限元數(shù)值模型,土體本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫倫模型,修正莫爾-庫倫模型是對莫爾-庫倫模型的改進(jìn),可以模擬基于冪函數(shù)的非線性彈性和彈塑性模型的組合行為,模型中通過分別定義加載彈性模量和卸載彈性模量,優(yōu)化因開挖(移除荷載)導(dǎo)致的地面隆起現(xiàn)象。另外還可以通過不抗滑剪切承載力相關(guān)的等效塑性應(yīng)變定義剪切硬化,當(dāng)土體發(fā)生剪切硬化時,求解器會重新計算剪脹角,剪切屈服面會擴(kuò)張到莫爾-庫倫的破壞面,以此來有效模擬土體的剪切硬化效應(yīng)。箱涵、防護(hù)樁、橋墩樁基、橋墩、橋梁按彈性材料進(jìn)行考慮。

        根據(jù)地勘資料,各土體材料參數(shù)依次為:alQ43壤土,容重取19.4kN/m3,黏聚力取25Kpa,內(nèi)摩擦角取16.5°,壓縮模量取5Mpa;alQ43砂壤土,容重取18.8kN/m3,黏聚力取9Kpa,內(nèi)摩擦角取27.9°,壓縮模量取5Mpa;alQ42粉砂,容重取17.9kN/m3,黏聚力取0Kpa,內(nèi)摩擦角取26°,壓縮模量取6Mpa;alQ42壤土,容重取19.6kN/m3,黏聚力取18Kpa,內(nèi)摩擦角取19.5°,壓縮模量取5.82Mpa;alQ42細(xì)砂,容重取19.4kN/m3,黏聚力取0Kpa,內(nèi)摩擦角取27°,壓縮模量取9Mpa;alQ42中砂,容重取19kN/m3,黏聚力取0Kpa,內(nèi)摩擦角取28°,壓縮模量取9.5Mpa;alQ41壤土,容重取19.9KN/m3,黏聚力取18Kpa,內(nèi)摩擦角取20.8°,壓縮模量取5.25Mpa。

        各結(jié)構(gòu)材料參數(shù)箱涵C30混凝土,彈性模量取3.10E+07kN/m2,泊松比取0.20,容重取25kN/m3;橋梁C40混凝土彈性模量取3.35E+07kN/m2,泊松比取0.20,容重取25kN/m3。

        有限元模型及網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)值計算模型圖見圖1。

        圖1 數(shù)值計算模型

        2.橋梁施工階段模擬分析

        橋梁施工階段模擬4個階段:一是施工階段模擬原狀地面,施加土層及箱涵自重荷載,箱涵內(nèi)水壓力。由于樁基施工前箱涵與土之間已處于相對穩(wěn)定狀態(tài),因此模型中該施工階段由自重產(chǎn)生的位移清零。二是施工階段模擬施工防護(hù)樁,施加防護(hù)樁、防護(hù)樁冠梁自重,對防護(hù)樁進(jìn)行z方向轉(zhuǎn)動約束。三是施工階段模擬施工橋墩樁基,施加橋墩樁基、樁基承臺自重,對橋墩樁基進(jìn)行z方向轉(zhuǎn)動約束。四是施工階段模擬成橋,施加橋墩及橋梁最后成橋。

        施工成橋后箱涵最大豎向位移8.89mm,小于豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)10mm,滿足箱涵豎向位移控制要求。施工成橋后豎向位移云圖見圖2。

        圖2 施工成橋后豎向位移云圖(mm)

        3.箱涵檢修開挖階段模擬分析

        橋梁檢修開挖階段模擬5個階段:一是檢修階段模擬成橋沉降穩(wěn)定后,橋梁與土之間已處于相對穩(wěn)定狀態(tài),模型中該階段由自重產(chǎn)生的位移清零。二是檢修階段模擬箱涵排水后,鈍化箱涵內(nèi)水壓力。三是檢修階段模擬開挖至箱涵頂,鈍化第一層開挖土體,即按照1∶1.5坡比開挖至箱涵頂部分土體。四是檢修階段模擬開挖至箱涵中間,鈍化第二層開挖土體,即按照1∶1.5坡比開挖至箱涵中間部分土體。五是檢修階段模擬開挖至箱涵底,鈍化第三層開挖土體,即按照1∶1.5坡比開挖至箱涵底部分土體。

        箱涵檢修開挖階段防護(hù)樁最大橫向變形4.16mm,滿足箱涵檢修開挖要求。橋梁檢修開挖橫向位移云圖見圖3、圖4。

        圖3 橋梁檢修開挖橫向位移云圖(mm)

        圖4 橋梁檢修開挖防護(hù)樁橫向位移云圖(mm)

        4.結(jié)語

        采用MidasGTSNX巖土有限元分析軟件建立3D立體應(yīng)變有限元數(shù)值模型,土體本構(gòu)模型采用修正莫爾-庫倫模型,可以模擬橋梁施工和橋梁檢修開挖過程,此種方法可為其他類似工程提供參考。

        由計算結(jié)果可知,施工成橋后箱涵最大豎向位移8.89mm,滿足箱涵豎向位移控制要求;箱涵檢修開挖階段防護(hù)樁最大橫向變形4.16mm,滿足箱涵檢修開挖要求。

        通過模擬分析計算可以基本確定跨越工程和輸水箱涵之間相互影響,為最終跨越方案的確定提供依據(jù)。

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