基于ABAQUS的新型變截面井蓋研究

蘇洪　張迪　朱賀

摘 要：檢查井是城市地下設(shè)施非常重要的組成元素，由于綠化帶和人行道寬度有限等原因，導(dǎo)致行車道上分布了為數(shù)不少的檢查井。而井蓋是通往城市地下設(shè)施的出入口的頂部裝置，對行人、行車安全舒適通行都有不可小覷的影響，解決井蓋存在的問題是很有必要的，本文就現(xiàn)有的問題提出新的井蓋模型，并用ABAQUS進(jìn)行有限元分析。

關(guān)鍵詞：變截面；井蓋；有限元分析；復(fù)合材料

1 井蓋研究背景

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)又迎來一個(gè)新周期，井蓋作為一種地下設(shè)施的出入口頂部的封閉物，對道路的質(zhì)量和行人、行車的安全影響很大。我們要以“城市精細(xì)化建設(shè)管理”的理念來正確面對井蓋所出現(xiàn)的問題，并以合理的方案解決問題。目前，道路上的井蓋存在一些不可忽視的問題，給行人、車輛的通行帶來不便及隱患，這些問題亟待解決。

2 傳統(tǒng)井蓋存在的問題

1、井蓋的下沉：井蓋的下沉一方面是由于井座連接不穩(wěn)固，結(jié)合部位砂漿砌筑不飽滿、井身砌體有通縫等，在行車荷載作用下發(fā)生下沉；另一方面，雨水通過路面裂縫滲進(jìn)井基礎(chǔ)，導(dǎo)致地基強(qiáng)度降低，在外部作用等因素影響下，也加劇了井蓋下沉。

2、井蓋周邊路面出現(xiàn)裂縫：井蓋和井座間連接不穩(wěn)固，車輛荷載產(chǎn)生對井蓋的橫向沖擊力加速了井蓋的松動進(jìn)而導(dǎo)致井蓋周邊路面瀝青混凝土剝落；同時(shí)，檢查井與路面材料物理性質(zhì)差異大，在車輛荷載作用下，天氣原因和維護(hù)不當(dāng)也會導(dǎo)致井周路面產(chǎn)生裂隙。

3、井蓋被盜取的現(xiàn)象：傳統(tǒng)的井蓋材料多為鑄鐵。鑄鐵井蓋具有高強(qiáng)度、高硬度，抗腐蝕性、抗沖擊性等優(yōu)點(diǎn)，但其較高的回收價(jià)值，一旦井蓋的防盜做得不夠徹底，井蓋就容易丟失。

4、井蓋脆裂問題：道路上的重車通過時(shí)，由于鑄鐵是脆性材料，井蓋可能會發(fā)生突然脆裂的情況。

5、井蓋跳響：當(dāng)井蓋出現(xiàn)上述的幾個(gè)問題時(shí)，路面平整度遭到破壞，井蓋下沉松動，當(dāng)重車駛過時(shí)就會跳動并且發(fā)出響聲，通過多方面影響而對行車不利。

6、井蓋病害導(dǎo)致路面的使用范圍限制：當(dāng)駕駛員發(fā)現(xiàn)井蓋引起路面裂縫或者井蓋下沉等病害時(shí)，會有意識避開那部分路面，路面的使用率與原來相比降低。在車道劃分不明顯的道路上，會引起交通混亂，甚至?xí)斐山煌ㄊ鹿省?/p>

3 新型井蓋方案的提出

道路檢查井損壞的主要原因有材料、交通、施工、環(huán)境等方面的原因。材料方面，由于路面材料與井蓋材料剛度差異較大，在荷載作用下的變形不同，由于變形差的存在會差生附加應(yīng)力，導(dǎo)致其損壞。對于傳統(tǒng)井蓋，通過分析，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)井蓋從受力與位移上來看部分材料并沒有充分發(fā)揮作用，因此可以在不影響使用的情況下將那部分材料省去，與可持續(xù)發(fā)展的社會主題契合。從材料方面來看，傳統(tǒng)的井蓋采用鑄鐵，自重大，造價(jià)較高，并且容易丟失、銹蝕等，維護(hù)上需要一定的成本，因此通過比較采用其他材料來制造井蓋。

根據(jù)以上井蓋出現(xiàn)的問題，對傳統(tǒng)的井蓋進(jìn)行優(yōu)化，提出一種新型變截面井蓋。

3.1 新型井蓋截面

它主要從結(jié)構(gòu)上來實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)井蓋的優(yōu)化，其特征是：下部向內(nèi)凹，有一定的撓度，下邊緣曲線采用了線性簡單、易于掌握的圓曲線；上部與井座接觸的部分采用整體上為T型嵌入的方式，將井蓋固定在井座上方的位置；T型截面的翼緣部分形狀為梯形，即變截面井蓋的高度變化規(guī)律是斜線。井蓋不是以餅式結(jié)構(gòu)直接安裝在井座上面，而是通過嵌入的方式，使受力承臺上移，采用變截面結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步削弱蓋和井座間發(fā)生相對滑移的情況。

3.2 模型計(jì)算參數(shù)取值

機(jī)動車行駛和停放的道路、場地使用重型檢查井蓋。根據(jù)鑄鐵檢查井蓋規(guī)范《CJ/T 3012-93》檢查井蓋凈寬不小于600mm，支座支承面寬度不小于20mm，井蓋嵌入深度不小于40mm。計(jì)算時(shí)取材料為灰鑄鐵，彈性模量150Mpa，泊松比0.27。施加外部作用為為400Kpa壓強(qiáng)。將新型井蓋模型的參數(shù)取為：直徑700mm，高60mm；傳統(tǒng)井蓋模型取直徑700mm，高60mm。取拱頂中心為坐標(biāo)原點(diǎn)。

3.3 運(yùn)用ABAQUS計(jì)算得出的結(jié)果

根據(jù)上表，隨著拱頂?shù)母叨茸兓畲笪灰啤⒆畲髴?yīng)力的變化情況也有所不同。在40mm處發(fā)生變化較大，同時(shí)，拱頂在50mm處最大應(yīng)力與柱體的最大應(yīng)力相差僅為2.6%，拱頂為45mm處最大應(yīng)力相差7%，并且所有計(jì)算結(jié)果均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)即變形不大于D/300（D為井蓋最大直徑）。因此，為了提高材料的利用率，充分發(fā)揮材料的性能，可選擇拱頂在40～50mm的位置處。

3.4新型井蓋建議使用的材料

為了解決井蓋具有回收價(jià)值而被不法之徒盜竊的問題，目前采用的解決措施有兩種：一種是在井蓋上安裝防盜裝置，起到一定的防盜作用，相應(yīng)的增加了成本但不能從根本上解決問題；另一種是采用沒有回收價(jià)值的材料制造井蓋，從根本上解決問題。因此，選擇復(fù)合材料作為制造井蓋的原材料是時(shí)下興起的好方式。

由于玻璃鋼井蓋具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗疲勞性能好、破損安全性好、成型工藝性優(yōu)越、耐腐蝕、外表美觀、圖案可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并能很好地解決鑄鐵井蓋被盜的問題，可以作為鑄鐵井蓋理想的替代產(chǎn)品。

4 新型變截面井蓋的優(yōu)點(diǎn)

1、新型井蓋“井蓋和瀝青路面是同時(shí)受力”在車輛來回碾壓時(shí)，均勻的受力面能有效分散壓力，T型嵌入式結(jié)構(gòu)防止井蓋發(fā)生沉降有限位功能。

2、改變了井蓋邊沿與井座銜接處的形狀，保持良好的整體性，可以在一定程度上改善爛邊的現(xiàn)象；同時(shí)井蓋與井座的接觸方式發(fā)生改變，可以更好的抵抗車輛荷載引起的橫向沖擊力，有效防止井蓋松動和車輛駛過產(chǎn)生跳響的問題。

3、新方案減少了材料的用量，與餅式結(jié)構(gòu)相比可以一定程度地減少成本而不影響車輛的行駛和道路的使用。

4、復(fù)合材料的使用可以在降低成本的前提下，滿足使用過程中的各項(xiàng)要求，而且有效避免了井蓋丟失的情況。

5、采用變截面的形式，嵌入結(jié)構(gòu)的上部高度呈斜線規(guī)律變化，能一定程度的提高抗剪能力，并且能夠減小井座與井蓋間隙帶來的不利影響，起到防跳響的作用。

6、在起到上述幾個(gè)作用的同時(shí)能夠保證路面的平整，也能相對的提高道路利用率。

井蓋設(shè)施雖然占道路的建設(shè)投入比例小，但是對過往車輛安全順適行駛和道路的使用程度有很大的影響。要切合“以人為本”、“城市精細(xì)化管理”的理念，重視對城市道路檢查井井蓋的控制，對井蓋病害現(xiàn)象采取解決措施。

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