基于COMSOL Multiphysics的格栅拱架模型力学性能研究

2018-01-24周游李惠

科技创新与应用 2018年3期

周游+李惠

摘要：通过在COMSOL Multiphysics建模下构建格栅拱架模型，运用其固体力学模块中的屈曲分析和稳态研究功能，对模型的承载能力和变形特性进行了计算和仿真研究，分析得到拱圈和格栅有应力传递现象、下拱圈两翼发生S状变形的结论。

关键词：格栅拱架；有限元模拟；承载能力；变形特性

中图分类号：TU312+.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0167-02

Abstract： The grid arch frame model is built under the COMSOL Multiphysics modeling， and by adopting the buckling analysis and the steady-state research function of its solid mechanics module， the load-carrying capacity and deformation characteristics of the model are calculated and simulated. The results of stress transfer in the arch ring and grid and S-shaped deformation of the lower arch ring are obtained.

Keywords： grille arch frame； finite element simulation； bearing capacity； characteristics of deformation

引言

隨着地下结构的发展与兴起，格栅拱架的支护结构被工程界所广泛应用，因此研究其结构的承载能力与变形特性具有重要意义[1-3]。针对“格栅拱架的设计、建造与加载试验”的模型设计竞赛，通过运用COMSOL Multiphysics中的稳态研究和屈曲分析功能，对参赛模型进行相关力学性能研究。

1 几何建模

1.1 模型简述

根据赛题制作和加载要求，提出一种六分段拱圈、倒三角直墙形式的格栅拱架模型，结构共五榀。模型长宽高尺寸为600mm×500mm×350mm，且模型底部有200mm的垂直净空和350mm的水平净空。除直墙处的杆件添加内撑外，其余杆件不添加内撑。模型设计图纸如图1所示。

1.2 计算模型

根据模型设计方案，在COMSOL有限元分析软件的固体力学模块中建立仿真计算模型。计算模型如图2所示。

2 参数定义

模型制作材料为230g巴西白卡纸（型号787mm×1092mm，230±5g），杆件设计截面尺寸为10mm×10mm。对于添加内撑的杆件，其强度参数为未处理杆件的1.5倍。由此得到白卡纸的材料力学参数如表1所示。

3 边界条件

3.1 位移约束

根据实际加载情况，模型需安放在与模型尺寸相同的加载箱内。约束条件定义与加载箱壁接触的杆件接触面为侧限约束，即接触面不发生垂直于箱壁的侧向位移。

3.2 施加荷载

加载实验需在拱顶覆盖白卡纸封层，在填砂后放置加载钢板和重力砝码进行静力加载。模型共受到拱顶上部的覆盖土体q1、加载钢板q2和外加砝码q3三部分载荷作用，视作均布荷载施加在模型杆件上。运用太沙基理论[4]计算得到施加土体的竖向荷载为拱顶q1t=3.75kPa，拱脚q1d=4.36kPa。加载钢板重量为20kg，则q2=0.70kPa。最大可加载砝码质量为280kg，则q3=9.86kPa。覆盖土体计算荷载如图3所示。

4 屈曲分析

在最大加载质量300kg情况下，运用COMSOL屈曲分析功能对模型的受力变形进行数值模拟，结果如图4所示。

根据数值模拟结果可以分析得到如下的变形特性：上拱圈中点处的竖向位移较大，下拱圈的梯形支承两翼发生明显的S状变形；在拱圈与直墙段连接处的相交节点有下压的现象；直墙段整体保持稳定，无明显的弯曲变形。求解得到监测点的z轴位移量为10.2mm，未超过位移要求限值20mm。

5 稳态研究

运用稳态研究功能对模型的承载力进行研究，得到模型的应力分布情况：在直墙段处的杆件应力最大，相交节点和上拱圈次之，下拱圈应力最小，拱圈和格栅有明显的应力传递现象。模型应力分布数值模拟结果如图5所示。

6 结束语

运用COMSOL软件对格栅拱架模型进行屈曲分析和稳态研究，得到模型在梯形支承处发生明显S状变形，上拱圈中心点沉降位移较大的变形特性；模型的应力分布在直墙段处最大，拱圈和格栅有明显的应力传递作用。

参考文献：

[1]曲海锋，朱合华，黄成造，等.隧道初期支护的钢拱架与钢格栅选择研究[J].地下空间与工程学报，2007，3（2）：258-262.

[2]张德华，刘士海，任少强.高地应力软岩隧道中型钢与格栅支护适应性现场对比试验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33（11）：2258-2266.

[3]李树忱，冯丙阳，马腾飞，等.隧道格栅拱架喷射混凝土支护力学特性[J].煤炭学报，2014，39（s1）：57-63.

[4]王渭明，杨更社，张向东，等.岩石力学[M].北京：中国矿业大学出版社，2010：175-176.