U型槽結構三維有限元分析

2016-07-27 03:17:21李寧

四川建筑 2016年2期

李　寧

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

U型槽結構三維有限元分析

李寧

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

【摘要】文章結合某線新建時速200 km/h客運無砟軌道鐵路U型槽工程實例，采用大型通用有限元軟件ANSYS建立U型槽三維有限元模型，計算了U型槽結構在各個工況荷載下的結構變形、應力分布特點及規律，并對其結果進行分析、總結。結果顯示，完建工況是U型槽結構設計中的控制工況，但由于結構在施工期下受力特征較完建期、運行期有較大區別，因此施工工況在結構設計中需單獨檢算，應引起設計者的重視。三維有限元計算結果與理論計算結果特點、規律吻合，其結論為其他類似的巖土或結構工程提供了重要參考。

【關鍵詞】U型槽；三維有限元；ANSYS

隨著我國經濟建設推進，鐵路及公路等交通基礎設施建設也得到了迅猛發展。U型槽作為一種適用于地下水豐富、地下水位較高、放坡條件受到限制的挖方路基地段的新型結構，同時具有節約土地資源、環境影響小的特點，因此在近幾年的高速鐵路建設[1]、城市交通建設中被廣泛應用。

作為一種新型結構，U型槽結構受力狀態及失穩機理等計算研究仍處于經驗階段，現階段常用計算方法一般將U型槽計算模型分為邊墻和底板分別計算[2]，業內尚無針對該結構的成套計算方法或設計規范。而一般結構計算軟件采用平面桿系單元模擬U型槽結構，彈簧單元模型地基梁邊界條件[3-4]，不能確定忽略結構空間性及地基的連續性對計算結果準確性的影響，因此采用三維有限元理論對U型槽結構的理論計算方法進行對比驗證具有重大的實際意義。

近年來，三維有限元計算已廣泛應用于工程實際問題的研究。在計算中采用三維實體單元模擬U型槽結構及其邊界條件，回避了平面桿系結構的缺點。文本結合鐵路工程實例，運用大型通用有限元軟件ANSYS建立三維模型，充分考慮施工及運行期荷載作用，揭示U型槽結構在不同工況下的

應力、變形分布規律。

1工程概況

某線新建時速200 km/h客運無砟軌道鐵路U型槽(圖1)。該段屬沖積平原區，地形平坦，相對高差5～10 m；表水不發育，砂卵石土中孔隙潛水發育，水質一般，對混凝土無侵蝕性，而基巖裂隙水對混凝土結構具硫酸鹽侵蝕；無不良地質，特殊巖土為人工填土、軟土及松軟土、膨脹巖、石膏，段內工程地質條件一般。地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.45 s。工程參數如下：

(1)結構尺寸：邊墻高H=6 m，厚度0.9 m，底板寬16.6 m，高1.0 m，趾板寬1.5 m；

(2)設計水位：運營階段地下水位為地表以下1.0 m；

(3)墻背回填卵石土參數：容重γ=21 kN/m3，浮容重γ`=11 kN/m3，內摩擦角φ=35°，粘聚力c=0 kPa；

(4)墻后堆載：運營階段墻后堆載20 kN/m2；

(5)材料：U型槽底板、邊墻均采用C35混凝土。

圖1　U型槽代表橫斷面

2三維有限元模型

2.1計算范圍及結構離散

為了消除模型邊界對U型槽結構內力計算影響，確定有限元計算模型范圍為：鉛直向頂部取至地表，底部取至底板下20 m，橫向取U型槽兩側邊界約26 m范圍，共70 m，線路防線取15 m。模型坐標系選取如下：

X向：水平垂直于線路方向；

Y向：水平沿線路方向；

Z向：垂直于XY平面，鉛直向上。

U型槽及周圍土體結構主要采用空間8節點等參實體單元，為了突出計算重點區域，降低計算成本，U型槽結構單元向周圍土體逐漸采取6節點等參實體單元進行退化。整個計算域共離散為23 904個節點，21 870個實體單元(圖2)。

圖2　U型槽三維有限元模型網格

2.2計算工況及荷載組合

施工首先開挖基坑，之后施工U型槽主體結構，將U型槽主體澆筑前的位移視為零，采用生死單元法計算初始應力場，并在其余工況計算前讀入。施工計算工況U型槽主體澆筑完成，墻后尚未回填，基坑采取降水措施。完建期為墻后回填完畢，U型槽結構周圍土體仍處于降水狀態。運行工況主要計算運營階段不同荷載組合效應下U型槽主體結構受力狀態。不同工況下荷載組合見表1。

表1　不同工況下荷載組合

3有限元計算結果整理

3.1施工工況計算結果整理

施工期U型結構澆筑完畢后應力分布主要受結構自重影響(圖3)，最大拉應力出現在底板底部兩側，量值約為0.45 MPa；由于邊墻外側基坑尚未回填，邊墻內未出現拉應力，內側墻角處出現壓應力集中現象；整體水平向位移接近于零。

圖3　施工工況大主應力分布(以拉為正，單位：Pa)

3.2完建工況計算結果整理

完建期U型槽邊墻兩側基坑回填完畢，應力分布受土壓力影響發生較大變化(圖4)，底板頂以受壓為主，底板底以受拉為主，底板底部拉應力最大值出現在中部，向兩側過渡拉應力量值逐漸減小；邊墻整體外側受拉，內側受壓，量值由墻頂至墻角逐漸增大，最大拉應力出現在外側墻角處，量值約為3.95 MPa，最大壓應力出現在邊墻內側墻角處，量值約為5.53 MPa；邊墻受土壓力影響向凌空面方向變位(圖5)，水平位移量值沿線路方向呈對稱分布，最大位移值出現在兩側墻頂，量值約為2.38 cm。

圖4　完建工況大主應力分布(以拉為正，單位：Pa)

圖5　完建工況X向位移分布(沿X正方向為正，單位：m)

3.3運行工況計算結果整理

運行工況下U型槽大小主應力分布整體規律與完建期基本相同。由于地下水水位恢復，墻后堆載施加，應力量值較完建期略有增大，其中運行工況1下墻體最大拉應力達6.06 MPa，運行工況2下墻體最大拉應力達6.72 MPa；運行工況下兩側墻體均向U型槽內側凌空面變位，其中運行工況1下墻頂最大水平位移4.37 cm，運行工況2下最大水平位移 4.39 cm(圖6～圖8)。