双排孔波纹钢管涵受力性能数值模拟分析

2016-12-12刁建军张弛

公路与汽运 2016年6期

关键词：波谷波峰环向

刁建军，张弛

（1.灌云县公路管理站，江苏灌云 222200；2.厦门市市政工程设计院有限公司，福建厦门 361000）

双排孔波纹钢管涵受力性能数值模拟分析

刁建军1，张弛2

（1.灌云县公路管理站，江苏灌云 222200；2.厦门市市政工程设计院有限公司，福建厦门 361000）

波纹钢管涵作为传统砼涵洞和桥梁的经济替代品，有着运输简单、安装方便、施工快速的特点。文中重点计算了双排孔波形钢管涵在不同孔间距下的应力，并与单孔波纹钢管涵应力进行对比，分析了孔间距对波形钢管涵受力的影响。结果表明孔间距变化对双排孔钢波纹管的最大应力没有明显的影响，应将保障施工质量、满足施工方便所要求的波纹管之间的最小孔间距作为首要控制条件。

桥梁；涵洞；波纹钢管涵；孔间距；环向应力；受力性能

波纹钢管涵凭借钢材良好的延性和较高的抗拉、抗压、抗剪强度，可解决地基变形、地基不均匀沉降等问题，对不良工程地质有很好的适应能力，被广泛应用于高填方排水涵洞、代替小跨径桥梁、立交通道、桥涵加固、管线穿越等工程。从国内外研究与应用情况来看，对钢波纹管涵洞受力性能的研究多集中于单孔，对于双排孔钢波纹管涵少有专门研究。该文对双排孔钢波纹管涵在不同孔间距下的受力性能进行分析，并与单孔钢波纹管涵进行对比，了解其相似和不同之处。

1 钢波纹管涵有限元分析

1.1 钢波纹管的有限元模拟

1.1.1 测点选取

由于单孔钢波纹管的纵向尺寸远大于横向尺寸，可近似为平面应变问题，在管轴方向取两个波长建模进行计算。在横断面上，考虑其对称性，取半边提取应力结果。分别计算管顶、中、底及上下45°方向应力，测点编号顺时针分别为1～5（见图1）。

图1 单孔波纹管测点示意图

根据双排孔钢波纹管的对称性，取其中一孔提取应力计算结果。在整个圆周上，取涵管顶、管中、管底及上下45°方向应力，测点编号顺时针分别为1～5、D、C、B（见图2）。

图2 双排孔波纹管测点示意图

1.1.2 有限元模型及单元划分

ANSYS对土体的模拟采用Solid45单元，对波纹管的模拟采用Shell63单元。靠近波纹管的土体适当加密网格，距离波纹管较远的地方网格稀疏，以提高计算效率（见图3、图4）。

图3 网格的整体划分

1.1.3 边界条件

单孔钢波纹管涵有限元模型底面约束全部自由度，两侧立面施加水平位移约束，其余面自由（见图5）。双排孔钢波纹管涵边界条件同上。

图4 波纹管网格划分

图5 单孔钢波纹管涵有限元模型边界条件

1.1.4 计算参数

波纹管参数：波长200 mm；波高55 mm；壁厚3 mm。

波纹管用钢材料属性参数：密度7 800 kg／m3；弹性模量2.1×1011Pa；泊松比0.3。

土体材料属性参数：密度1 900 kg／m3；弹性模量3.8×107Pa；泊松比0.23。

1.2 钢波纹管涵的受力特点

根据板壳理论，钢波纹管涵的径向挤压应力很小，与环向应力、轴向应力相比，其值一般小一两个数量级。因地，对该方向应力不予以分析。在试算中，钢波纹管中的最大应力一般出现在1、3、5、A、C、E的波峰或波谷点，其他点的应力均小于这些点（这种规律也符合文献［7］的相关结果）。限于篇幅，在对比最大应力的增量绝对值时，主要关注这些点的外侧（即接触土体侧）环向应力值。应力以受拉为正、受压为负。

2 双排孔与单孔钢波纹管涵的受力对比

2.1 波纹管环向应力对比

计算所用钢波纹管涵的直径为2 m，其上覆土高度为10 m。计算双排孔钢波纹管涵和单孔钢波纹管涵沿环向的应力、竖向和水平变形随孔间距变化的规律。双排孔涵管间距变化取5d、4d、3d、2d、 d、0.5d、0.25d（d 为管涵直径）。图6为单孔钢波纹管涵应力云图，图7、图8分别为钢波纹管涵波峰、波谷环向应力随孔间距的变化。