基于ABAQUS的鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的對比分析

徐 亮

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250002)

0 前 言

鋼管和混凝土表現(xiàn)出力學(xué)性能的“共生現(xiàn)象”，在超高層建筑中廣泛應(yīng)用。將鋼管混凝土制作成支護(hù)結(jié)構(gòu)用于隧道工程的支護(hù)中，可以減少用鋼量，降低支護(hù)成本和增加隧道的使用面積，具有很高的應(yīng)用前景[1-4]。

本文利用大型有限元數(shù)值計(jì)算軟件ABAQUS，在不同隧道斷面形式下，分別建立不同截面形式鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的三維計(jì)算模型，并建立相應(yīng)斷面形式的工字鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)模型與其比較[5-11]。

1 數(shù)值分析方法

1.1 工程概況

青島地鐵1號(hào)線工程區(qū)間從海泊橋沿人民路向北穿過南寧路、撫順路，下穿人民路立交橋，進(jìn)入小村莊車站。線路主要位于人民路下方，區(qū)間起止里程為右YSK39+494.036～右YSK40+554.500，右線長度1060.464 m。本區(qū)間隧道底板標(biāo)高-23.94～-13.94 m，埋深25.9～36.4 m。

1.2 模型建立

結(jié)合工程實(shí)際，斷面形式采用隧道工程中常見的馬蹄形斷面。鋼管混凝土的截面形式分別采用圓形截面和工字鋼支護(hù)選取常用的22a型。分別建模進(jìn)行ABAQUS模擬對比分析。各模型尺寸特征見表1所示。

表1 模型尺寸

為了方便對比分析，兩種形式的斷面尺寸近似相同。混凝土及鋼管單元模型均采用六面體單元。建立后將鋼管與混凝土進(jìn)行組裝，在混凝土外表面和鋼管內(nèi)表面建立接觸。

1.3 模型力學(xué)參數(shù)

在ABAQUS中主要通過定義鋼管和混凝土的材料屬性來實(shí)現(xiàn)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的非線性[12]。

對于鋼管塑性，只需定義鋼管在塑性階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；對于混凝土的塑性屬性的定義，使用ABAQUS混凝土損傷塑性模型。具體材料參數(shù)見表2。

表2 材料參數(shù)表

1.4 加載方案

通過對周圍巖土體表面施加壓力，周圍巖土體將力給支護(hù)結(jié)構(gòu)，從而模擬現(xiàn)實(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況[12]。圍巖三面加載。

1.5 分析方法

討論不同斷面形式下不同截面形式鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力撓度變化并討論各種支護(hù)的支護(hù)效應(yīng)。

2 分析結(jié)果

對支護(hù)模型進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果分析內(nèi)容應(yīng)力、變形和支護(hù)效應(yīng)三部分。

2.1 應(yīng)力分析

馬蹄形斷面應(yīng)力見圖1～2。從圖1～2可以看出，相比傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布更為一致。

圖1 工字鋼

圖2 圓形鋼管混凝土

2.2 變形分析

馬蹄形斷面變形見圖3～4。從圖3～4可以看出，相對傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)的撓度變形量較小。

圖3 工字鋼

圖4 圓形鋼管混凝土

3 結(jié) 論

本文利用大型有限元數(shù)值計(jì)算軟件ABAQUS，對鋼管混凝土支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，將模擬情況與傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析。通過分析，可得以下結(jié)論：①鋼管混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有撓度變形量小、承載能力強(qiáng)，支護(hù)效應(yīng)更好的特點(diǎn)；②圓形截面支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)受力更均勻合理，支護(hù)效應(yīng)更好。

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