塑料检查井收口锥体结构有限元计算分析

王侃文,杨佳春,何旅洋

(1.上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200032;2.同济大学应用力学研究所,上海市 200092)

塑料检查井收口锥体结构有限元计算分析

王侃文1,杨佳春1,何旅洋2

(1.上海市政交通设计研究院有限公司，上海市 200032;2.同济大学应用力学研究所,上海市 200092)

利用通用有限元软件Abaqus对塑料检查井收口锥体结构进行计算分析,通过对计算数据的观察分析,得出收口锥体下端过渡区域存在应力集中现象的结论,为塑料检查井收口锥体的外形合理优化提供了重要依据。

塑料检查井;收口锥体;有限元计算

0 引言

传统检查井为砖砌结构,近几年,随着化工建材管道(如高密度聚乙烯管HDPE管)大量用于城市排水系统工程建设,这类管道与砖砌或混凝土检查井之间的连接处因变形不协调而发生渗漏的问题尤显突出。在当前构建“节约型、环保型”社会的形势下,传统检查井已经不能适应现代基础建设的发展要求。为了解决这一问题,国内一些企业研制生产塑料检查井代替砖砌或混凝土检查井,并已进入工程应用。

建设部2004年(218)号文件公布,明确禁止使用黏土实心砖,“十一·五”技术公告要求塑料管道应优先采用塑料检查井,因此,塑料检查井以其绿色、环保、节能、节地等诸多优势成为替代砖砌检查井的主要产品之一。

本次研究的收口锥体是塑料检查井的一部分,主要用于连接上部井筒和下部井室,见图1。

图1 分离式收口检查井示意图

本文通过对塑料检查井收口锥体的有限元计算分析,分析其主要受力特点,为塑料检查井收口锥体的结构分析提供实例,为行业标准的进一步健全完善提供支撑,促进塑料检查井在行业内的普及应用。

1 塑料(HDPE)检查井收口锥体有限元计算

1.1 几何建模

有限元仿真分析的研究对象为TJ系列排水塑料检查井,并依据“TJ系列排水塑料检查井——上海市建筑产品推荐性应用图集212”中收口锥体尺寸进行3D建模。收口锥体为对称结构,因此在建模过程中只需建立一般模型即可。图2为收口锥体整体模型。

图2 收口锥体整体模型

1.2 网格划分

将收口锥体3D模型导入到Hypermesh中,进行网格划分,采用四面体单元,单元尺寸为2 mm,局部有倒角或大尺度过渡段单元进行加密,最小单元尺寸为0.2 mm,整个模型共划分5 994 303个单元,1 277 117个节点,有限元模型如图3所示。

1.3 边界条件及外加荷载［1-3］

采用Abaqus为有限元计算软件,采用线弹性材料,杨氏模量为205 MPa,泊松比为0.29。

图3 网格划分图

计算中,固定收口锥体下端的自由度在收口锥体上端施加轴向压力,轴向压力计算公式如下:

式中:Fd为回填土下曳力设计值,N;Fsv为结构自重,N;Aup为井筒的上表面面积,mm2。

回填土的下拽力为2.96 kN,结构自重0.65 kN。在模型顶部施加轴向压力,如图4。

图4 轴向压力示意图一

结构受到土压力18.18 kN,均布施加在结构竖向投影面积上,如图5。

图5 轴向压力示意图二

结构受到周围土体的侧向土压力,根据高度不同,分为井筒底的侧向主动土压力和井室顶部的侧向主动土压力,如图6。

图6 侧向土压力示意图

由于模型为二分之一对称结构,所以采用对称模型,在模型的边界处施加对称约束,如图7所示。

图7 对称模型示意图

1.4 有限元分析

有限元分析划分单元类型为C3D4单元,为三维四面体四节点实体线性单元,其应力位移的行为都是基于拉格朗日或材料描述的,分析中,与单元关联的材料保持与单元关联,并且材料不能从单元中流出和越过单元的边界［4］。计算结果见图8～图11。表1为有限元计算结果分析表。

图8 von Mises应力云图

图9 Z方向应力云图

图10 合位移云图

图11 应变云图

表1 为限元计算结果分析表

2 结论

从塑料检查井收口锥体结构的有限元计算结果中可以看出,应力最大位置发生在应力集中点,最大应力为15.74 MPa,最大应力与最大应变发生位置一致,最大应变为0.08 092,最大位移发生在收口锥体上端部,最大值为22.78 mm,相比于整体尺寸为一个小量。该收口锥体结构整体刚度较大,但存在局部应力集中的情况,最大应力发生在收口锥体下端过渡区域,建议在今后的工程应用中将此区域进行优化。

［1］ GB 50068—2001,建筑结构可靠度设计统一标准［S］.

［2］ 赵远清.高密度聚乙烯检查井结构设计研究 ［J］.特种结构，2008，2(1):69-83.

［3］ DBJ53/T-25—2010,塑料排水检查井应用技术规程 ［S］.

［4］ 李黎明. ANSYS有限元分析实用教程［M］.北京:清华大学出版社，2005.

TU992

A

1009-7716(2015)03-0106-03

2014-12-18

王侃文(1977-),男,浙江上虞人,高级工程师,从事市政工程结构设计工作。