高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞有限元分析

高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞有限元分析高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞有限元分析 鄧玉訓1，楊波2，梁養(yǎng)輝3，胡濱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，陜西西安710071;3.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安710075)摘要:通過鋼波紋管涵洞管周不同斷面的應變值的有限元計算結果與現場實測結果進行對比，采用有限元模型，對不同填土高度在公路 -Ⅰ級荷載作用下的鋼波紋管涵洞受力變形進行分析。結果表明 :管頂0°～管周45°的壓應變逐漸增大，而管周150°～180°逐漸減小管，周45°～120°波動變化;波峰和波側都在管周120°出現最大應變值，而波谷在管周90°出現最大應變值;管周90°、120°應作為重點位置觀測。關鍵詞:高填方路基;大孔徑;鋼波紋管涵洞;有限元分析 目前，國內專家對小孔徑

(孔徑小于

4m)鋼波紋管涵洞進行了深入研究，但對大孔徑

(孔徑大于

4m)鋼波紋管涵洞的研究較少，高填方路基大孔徑鋼波紋管涵洞的受力特征沒有系統(tǒng)的研究成果，更沒有施工控制指標［ 5-8］。本文以井睦高速直徑 5m鋼波紋管涵洞現場試驗為依托， 采用有限元對不同填土高度公路 -Ⅰ級荷載作用下鋼波紋管涵洞受力變形進行分析，為大孔徑鋼波紋管涵洞在高路基情況下的應用提供參考。 1試驗涵洞情況及管內應變片布置 1．1鋼波紋管涵洞基本情況

本文以樁號

K30+465

處直徑為

5m

的鋼波紋管涵洞為依托。鋼波紋管參數為

:波高

55mm

，波長200mm

，采用

Q235A

熱軋鋼板制成，并采用表面熱浸鍍鋅防腐。該鋼波紋管涵洞路基填土高度為

20.65m

。

1．2

現場測試管內應變片布置方案

沿路中心

0°、15°、30°、45°、60°、90°、120°、150°、180°波峰、波谷、波側管周徑向布設應變片，共計27個點，如圖1、2所示?，F場通過靜態(tài)應變儀測試荷載作用下鋼波紋管涵洞的管內應變，并收集整理測試數據。圖1鋼波紋管涵測試斷面應變片布設圖2管中心應變片布設2鋼波紋管涵洞有限元計算2．1單元類型選取和材料類型鋼波紋管采用殼體單元，線形材料;土體采用solid單元，非線性材料，選擇Drucker-Prager模型，輸入土體的c(黏聚力)、φ(內摩擦角)值［9-10］。為了模擬現場情況，將模型分層填筑，并根據現場地質、土質、含水量等條件設置材料參數，具體見表 1［11-12］。表1材料參數材料類型彈性模量/Pa泊松比密度/(kg·m－3)黏結力/kPa內摩擦角/(°)鋼波紋管2．1×10110．37850天然砂礫4．5×1070．182100030管頂填土3．5×1070．35190030212．2網格劃分用工作平面將管上不規(guī)則的圖形切割開，盡量切成規(guī)則形狀，然后將規(guī)則圖形和不規(guī)則圖形分開劃分網格，網格形狀為四邊形。用精度更高的 mapped命令劃分網格，如圖3所示。圖3劃分網格后的鋼波紋管 將土體單元取成六面體八節(jié)點實體單元，在滿足精度的條件下將管四周的土體劃分得密一些，遠離管子的土體劃分尺寸可以大一些。單元數目控制在 5萬～10萬個，具體見圖 4、5。圖4鋼波紋管網格劃分 圖5模型網格劃分整體 2．3邊界條件鋼波紋管涵洞一般采用反開槽回填施工，為了準確模擬現場，確定以下邊界條件 :在土體底部約束所有位移和扭轉自由度，加ALLDOF約束，管兩側里面施加水平方向約束(Ux)，頂部施加荷載(P)，其余面自由，如圖6所示。圖6邊界條件2．4加載求解設置好非線性選項中的載荷步、子步和其他相關參數后進行加載求解。由于計算模型是從工程構筑物實體中切割出來的，在施加頂面荷載時，考慮周圍土體對其產生的影響，應減去所取模型周圍土體分擔的荷載。因為路面荷載在土體中垂直向下擴散，所以計算出傳遞到波紋管頂的均布壓力大小和分布區(qū)域，再將此值按分布區(qū)域施加在模型頂面。3不同填土高度下鋼波紋管涵洞有限元計算應變值與實測結果對比分析為了真實模擬現場分層填土的情況，建模時應分層遞加，所加厚度即為分層填土的厚度。為了計算方便且不影響計算精度，模型側向和下方填土至少為1倍直徑寬度［13-14］。鋼波紋管為薄殼結構，它產生的最大撓度與其厚度同量級，且當薄殼加載臨界力時，殼體會發(fā)生突然的大變形［ 15］。如果結構經受大的變形，其幾何形狀可能會引起非線性響應，響應的剛度也將發(fā)生變化，這時需要采用大變形的幾何非線性分析方法。 3．1波峰計算值與測試值對比 分別對填土至管頂上 0．3、4、16m時路中管周不同角度波峰計算值與實測值進行比較， 結果如圖 7～9所示。圖7填土至管頂上0．3m波峰計算值與現場測量值對比圖8填土至管頂上4m波峰計算值與現場測量值對比圖9填土至管頂上16m波峰計算值與現場測量值對比3．2波谷計算值與測試值對比 分別對填土至管頂上 0．3、4、16m時路中管周不同角度波谷實測值與計算值進行比較，結果如圖10～12所示。 由于測試數據較多， 這里僅取其中具有代表性的關鍵測點作對比分析。 由圖7～12可看出:有限元理論計算值所呈現出的應變變化規(guī)律與現場實測應變變化規(guī)律是一致的，大多數測點的兩值非常接近，差異較小 ;個別測點計算值與實測值差異較大。

圖

10

填土至管頂上0．3m

計算波谷值與現場測量波谷值對比

圖

11

填土至管頂上

4m

計算波谷值與現場測量波谷值對比

圖

12

填土至管頂上

16m

計算波谷值與現場測量波谷值對比

原因為

:一方面，現場的自然條件 (如溫度、風速等 )、應變片與管壁的黏貼緊密程度、應變片與連接線的焊接效果等對觀測結果都有一定的影響，使得測試結果有一定的誤差，不能真實反映管壁的受力狀態(tài) ;另一方面，模型只能近似模擬工程實際， 不可能替代工程實際［ 16-17］。因此，運用有限元所得的理論計算值和實測值在個別點存在較大差異是不可避免的，但不影響對整個應變變化規(guī)律的分析。 通過對鋼波紋管涵洞進行力學性能有限元計算分析可知 :用有限元建立模型對鋼波紋管涵洞進行計算分析，其精度滿足工程實際需求。按照所選邊界條件分析的結果與工程實際擬合比較理想，利用有限元軟件對鋼波紋管涵洞力學性能進行計算分析是可行的。 4不同填土高度公路 -Ⅰ級荷載作用下鋼波紋管有限元計算結果分析 分別對填土至管頂上 0．5、6、11．2、20．65m 時，車輛荷載作用于管頂位置路中管周不同角度波峰、波谷切向應變變化規(guī)律進行分析。 4．1荷載及計算結果 4．1．1公路-Ⅰ級荷載依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60—2004)，公路-Ⅰ級車輛荷載立面、平面尺寸如圖13所示，主要技術指標見表2。計算過程中車輛荷載載重為55t。圖13車輛荷載立面、平面尺寸表2車輛荷載的主要技術指標車輛總重標準值 /kN550 輪距/m1．8前軸重標準值/kN30前輪著地寬度及長度 /m0．3×0．2中軸重標準值/kN2×120中、后輪著地寬度及長度 /m0．6×0．2后軸重標準值/kN2×140車輛外形尺寸(長×寬)/m15×25．軸距/m3+1．4+7+1．44．1．2計算結果 計算工況如表 3所示，計算結果見圖 14～17。表3公路-Ⅰ級荷載作用下有限元計算工況工況 填土高度 荷載位置1管頂上0．50m 車輛后軸中心位于管頂處 2管頂上6．00m 車輛后軸中心位于管頂處3管頂上11．20m 車輛后軸中心位于管頂處 4管頂上20．65m車輛后軸中心位于管頂處4．2管周切向應變變化規(guī)律分析填土至管頂上0．5m時，荷載作用下路中管周切向應變變化規(guī)律如圖18所示。從圖18可以看出:波峰在管頂0°為拉應變，管周15°減小，管周30°轉化為壓應變，30°～90°壓應變變化較小，管周120°迅速增大后又逐漸減小;波谷整體上為壓應變， 0°～30°逐漸減小， 30°180～°逐漸增大，管周180°達到最大值;波側整體上為壓應變， 0°～120°逐漸增大，而120°～180°逐漸減小，且在120°出現圖14填土至管頂上0．5m荷載作用下管涵洞應力分布圖15填土至管頂上6m荷載作用下管涵洞應力分布圖16填土至管頂上11．2m荷載作用下管涵洞應力分布最大壓應變。綜上可以看出:管頂0°～管周15°波峰為拉應變;波谷、波側為壓應變，且30°～60°逐漸增大;波谷在管周 60°～180°壓應變繼續(xù)增大，在180°出現最大值;波峰、波側應變先增大后減小，在管周120°出現最大值。填土至管頂上6m時，荷載作用下路中管周切向應變變化規(guī)律如圖19所示。從圖19可以看出，波峰沿管周角度變化切向應圖17填土至管頂上20．65m荷載作用下管涵洞應力分布圖18填土至管頂上0．5m管周切向應變隨角度的變化圖19填土至管頂上6m管周切向應變隨角度變化變在管頂0°～管周60°為壓應變且逐漸增大，管周60°、90°、180°的變化規(guī)律為先減小、再增大、后減小。管頂0°、管中90°、管底180°應變值接近于0。最大壓應變在管周120°。波谷整體上為壓應變，管頂0°～管周60°逐漸增大，在管中90°突然增大后又減小，管周120°～180°保持不變，在管周90°出現應力集中。波側整體上為壓應變，管頂0°～管周60°逐漸增大，在管中90°突然減小后又逐漸增大。綜上可以看出:波峰、波谷、波側整體上都為壓應變。管頂0°～管周45°壓應變都逐漸增大，且波谷處最大，波峰處最小;而管周150°～180°壓應變逐漸減小，從大到小依然是波谷、波側、波峰;管周45°～120°波動變化。波峰和波側在管周120°出現最大應變值，波谷在管周90°出現最大應變值。當填土至管頂上11．2m時，荷載作用下路中管周切向應變變化規(guī)律如圖20所示。圖20填土至管頂上11．2m管周切向應變隨角度的變化從圖20可以看出，波峰、波谷、波側整體上都為壓應變。管頂0°～管周45°壓應變逐漸增大，且由大到小依次為波谷、波側、波峰;而管周150°～180°壓應變逐漸減小，大小順序依然是波谷、波側、波峰。波峰和波側在管周120°出現最大應變值，波谷在管周90°出現最大應變值。波峰、波谷、波側均在管周60°～120°波動幅度較大，說明隨著填土高度的增加，鋼波紋管受力已經不僅僅是最初以車輛荷載為主的受力，而是填土的自重和車輛荷載共同作用。當填土至管頂上20．65m時，荷載作用下路中管周切向應變變化規(guī)律如圖 21所示。圖21填土至管頂上 20．65m管周切向應變隨角度的變化對比圖21和圖19可看出，兩者的波峰、波谷、波側變化規(guī)律相似，僅數值大小不同，故不重述。

對圖

18～21

進行對比分析，可以看出

:在車輛荷載作用下， 填土至管頂上

0．5m應變的變化規(guī)律不明顯，

填土至管頂上

6、11．2、20．65m應變曲線變化規(guī)律相似，僅數值上逐漸增大。這說明鋼波紋管的主要受力從車輛荷載變化為車輛荷載與填土自重共同作用，最后變?yōu)橹挥刑钔磷灾亍?除填土至管頂上 0.5m時的波峰外，其他波峰、波谷、波側整體上都為壓應變。管頂0°～管周45°壓應變逐漸增大，從大到小依次為波谷、波側、波峰;而管周150°～180°壓應變逐漸減小，且大小關系依然是波谷、波側、波峰 ;管周60°～120°壓應變波動變化。車輛荷載下，不同填土高度的波峰應變變化幅度均大于波谷和波側，且波谷和波側變化曲線有一定對稱性。波峰和波側都在管周120°出現最大應變值，波谷在管周 90°出現最大應變值。5結語 本文采用有限元對荷載作用下大孔徑鋼波紋管涵洞的受力特征進行了詳細分析，主要得到以下結論。 (1)當鋼波紋管涵洞填土到一定高度時，公路 I級荷載作用下管周應變變化規(guī)律為 :波峰、波谷、波側整體上都為壓應變 ;管頂0°～管周45°壓應變都逐漸增大，由大到小依次為波谷、波側、波峰;而管周150°～180°壓應變逐漸減小，且大小關系依然是波谷、波側、波峰;管周45°～120°壓應變波動變化。(2)填土至管頂上 0.5m到管頂上 20．65m，鋼波紋管主要受力經歷了車輛荷載、車輛荷載與土重量共同作用、填土自重的變化過程。管周 90°、120°施工時應作為重點位置進行觀測。 (3)目前，國內對高填方路基大孔徑 (直徑大于4m)鋼波紋管涵洞在公路工程中的應用還較少，關于其受力變形研究更少，本研究對同類鋼波紋管涵洞應用有一定參考價值。本文對靜態(tài)荷載下鋼波紋管涵洞的受力特征進行了詳細分析，但未考慮動態(tài)荷載的作用，在進一步研究中，應增加對動態(tài)荷載下鋼波紋管涵洞受力情況的研究。 參考文獻:［1］陳昌偉．波形鋼板結構及其在公路工程中的應用 ［J］．公路，2000(7):48-54．［2］范曉明，張春光．淺議鋼波紋管涵在高填方應路基上的應用［ J］．企業(yè)導報，2012(10):294-294 ．［3］李長江，胡濱，梁養(yǎng)輝，等．季凍區(qū)淺埋地基鋼波紋管涵洞施工關鍵技術［J］．筑路機械與施工機械化，2016，33(10):91-94．［4］張紅宇，胡濱，梁養(yǎng)輝，等．大孔徑鋼波紋管涵洞分層土壓力及效益分析［J］．筑路機械與施工機械化，2015，32(12):70-72．［5］胡小兵，李祝龍，梁養(yǎng)輝，等．高路堤鋼波紋管涵與鋼筋混凝土拱涵土壓力對比分析 ［J］．筑路機械與施工機械化， 2015，32(9):40-45．［6］孫伯文，李祝龍，劉洪林．大孔徑鋼波紋涵洞在河北公路中的應用研究［ J］．山西建筑， 2010，36(8):263-264．［7］高彥婷，李永剛．溝埋箱形涵洞垂直土壓力的有限元模擬分析［ J］．科學之友，2008(27):15-16 ．［8］李祝龍，章金釗．高原多年凍土地區(qū)波紋管涵應用技術研究［ J］．公路，2000(2):28-31 ．［9］賈彥武．公路路基鋼波紋管涵洞受力與變形特性室內模擬試驗研究［D］．西安:長安大學，2012．［10］明艷．公路鋼波紋管涵洞設計內容［ J］．黑龍江交通科技， 2011，34(1):101-102．［11］劉剛．高填方路堤下鋼波紋管涵洞受力與變形特性研究［D］．西安:長安大學，2012．［12］駱志紅．大直徑鋼波紋管涵有限元計算分析 ［J］．交通科技，2011(1):40-42．［13］唐賽，李祝龍，梁養(yǎng)輝，等．雙層鋼波紋管涵注漿有限元分析 ［J］．筑路機械與施工機械化，2015，32(7):77-81．［14］劉百來．鋼波紋管材料在公路工程中的應用［ D］．西安:長安大學，2004．［15］周義雄，梁養(yǎng)輝，李祝龍，等．鋼波紋管涵洞在公路工程中的應用研究［J］．筑路機械與施工機械化，2013，30(11):48-55．［16］馮忠居，烏延玲，賈彥武，等．鋼波紋管涵洞受力與變形特性模擬試驗研究［ J］．巖土工程學報，2013，35(1):187-192 ．［17］安靜潔．鋼波紋管涵施工工藝及技術要求［ 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，thefiniteelementmodelwasappliedtocarryouttheanalysisofdeformationofthecorrugatedculvertunder-levelΙloadwithdifferentdepthsoffill．Theresultsshowthatthecompressivestrainat0°～45°ofthecircumferencegraduallyincreaseswhilethe，compressivestrainat150°～180°ofthecircumferencegraduallydecreases，andthevalueat45°～120°ofthecircumferencefluctuates;boththemaximumstrainv