水壓力作用下鋼護筒受力性能研究

于文杰竇國濤 謝曉鵬 高波 楊露

摘 要：針對超深鋼護筒在水壓力作用下的受力性能問題，本文采用ANSYS進行了不同壁厚鋼護筒的有限元模擬。研究結果表明，鋼護筒的水平位移和應力隨著鋼護筒深度的增加而增大;隨著壁厚的變大，鋼護筒水平位移逐漸減小，壁厚2.5 cm時鋼護筒最大水平位移為壁厚0.5 cm時鋼護筒最大水平位移的0.172;隨著壁厚的變大，鋼護筒米塞斯應力極值逐漸減小。壁厚2.5 cm時鋼護筒米塞斯應力極值為壁厚0.5 cm時鋼護筒米塞斯應力極值的0.164。

關鍵詞：鋼護筒;水壓力;位移;應力

中圖分類號：U445.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）32-0005-05

Abstract： Aiming at the mechanical performance of ultra-deep steel casing under water pressure， this paper used ANSYS to carry out finite element simulations of steel casings with different wall thicknesses. The research results show that the horizontal displacement and stress of the steel casing increase with the increase of the depth of the steel casing; As the wall thickness increases， the horizontal displacement of the steel casing gradually decreases， when the wall thickness is 2.5 cm， the maximum horizontal displacement of the steel casing is 0.172 of the maximum horizontal displacement of the steel casing when the wall thickness is 0.5 cm; as the wall thickness increases， the Mises stress extreme value of the steel casing gradually decreases. When the wall thickness is 2.5 cm， the extreme value of Mises stress of the steel casing is 0.164 of the extreme value of Mises stress of the steel casing when the wall thickness is 0.5 cm.

Keywords： steel casing;water pressure;displacement;stress

熊俊華[1]針對高壓輸水管道鋼管外包混凝土結構的力學特性，提出了一種新型無粘結鋼管外包混凝土組合結構型式，并結合南水水庫供水工程實例，闡述該組合結構在內水壓力、土壓力作用下的力學模型、工作機理和優勢。鄧育林等[2]以三種墩高的圓截面深水墩為對象，借助有限元軟件建立墩-水相互作用的數值模型，考慮橋墩局部和整體損傷，同時考慮橋梁上部結構的影響，分析不同損傷程度及不同墩頂質量情況下的動水附加質量隨水位的變化，并通過動水壓力和動力特性分析進行驗證。盧華喜等[3]基于勢流體理論建立考慮墩-水相互作用的深水圓端型空心橋墩三維有限元模型，分析橋墩考慮內域水、外域水及同時計入內、外域水時不同水位下的動水效應對橋墩自振頻率及動力響應的影響，并討論橋墩壁厚不同時內域水、外域水及同時考慮內、外域水作用對橋墩地震響應的影響規律。陳鷹[4]為研究橋梁深水基礎鋼管樁圍堰結構的受力特性，采用ANSYS Workbench建立有限元模型，對鋼管樁圍堰結構進行變形及應力分析，考慮在靜水壓力及動水壓力作用下各工況中圍堰結構的變形特點及各構件的應力分布情況，得出最不利工況，為現場施工提供技術指導。高海東等[5]以港珠澳大橋拱北隧道曲線頂管管幕工程為背景，針對鋼頂管管節密封性能進行了室內模型試驗和ABAQUS有限元模擬。

本文針對超高鋼護筒在水壓力作用下的應力和變形進行了有限元分析。

1 工程背景

南村黃河特大橋是澠（池）垣（曲）高速公路的控制性節點工程，大橋呈南北走向，全長約為1 727.6 m，總寬為33 m，單幅橋寬為16.25 m，幅間凈距為0.5 m。由于本工程處于小浪底庫區，水位深、變化大，為減少深水施工的投入與風險，P3-P16主墩設計采用超大直徑樁基礎，同時采用樁柱一體式的下部結構，主墩承臺下設置4根（2×2布置）直徑2.5 m的樁基礎，橫橋向樁間距為6.25 m，順橋向間距為5.0 m。為方便下部結構施工，P4-P16主墩所有高程+276 m以上部分墩身采用模板施工，直徑為2.8 m，混凝土標號為C40，+276 m以下至樁頂部分墩身采用鋼護筒施工，鋼護筒為永久性結構，設計護筒進入沖止標高以下，具體進入長度可根據實際地質情況確定，此段墩身混凝土采用C40水下混凝土。經設計，墩身鋼護筒采用Q345C鋼材制作，內徑為3.0 m，壁厚為25 mm，其技術指標符合《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591—2018）。鋼護筒示意圖如圖1所示。圖中，數據單位均為米（m）。

由于本項目中鋼護筒高度較大，鋼護筒底部插入土中后，尚剩余較大的高度位于水中，本文以P4橋墩為例，對水壓力作用下的鋼護筒進行受力分析。

由圖1可知，鋼護筒底部標高232～240 m的部位插入土中，有限元模擬時，底部8 m施加邊界條件為全約束，分析水壓力作用時，按照極限工況進行分析，鋼護筒外部有水，按最高水位275.1 m計算，標高240.0～275.1 m處位于水中，有限元模擬時，水的作用以面荷載形式進行加載，如圖2所示。其間可以采用式（1）進行計算。

2.2 工況設置

本文共設置五種工況，工況一為鋼護筒壁厚0.5 cm;工況二為鋼護筒壁厚1.0 cm;工況三為鋼護筒壁厚1.5 cm;工況四為鋼護筒壁厚2.0 cm;工況五為鋼護筒壁厚2.5 cm。

3 結果分析

3.1 水平位移分析

鋼護筒在水壓力作用下的水平位移云圖如圖3和圖4所示，由于鋼護筒是圓形，水壓力在同一深度處相同，因此，在同一深度處，兩個方向位移一致。圖3（a）和圖4（a）顯示，壁厚為0.5 cm時，鋼護筒最大水平位移為0.892×10-3 m;圖3（b）和圖4（b）顯示，壁厚為1.0 cm時，鋼護筒最大水平位移為0.412×10-3 m;圖3（c）和圖4（c）顯示，壁厚為1.5 cm時，鋼護筒最大水平位移為0.250×10-3 m;圖3（d）和圖4（d）顯示，壁厚為2.0 cm時，鋼護筒最大水平位移為0.191×10-3 m;圖3（e）和圖4（e）顯示，壁厚為2.5 cm時，鋼護筒最大水平位移為0.153×10-3 m。分析可知，隨著壁厚的增厚，鋼護筒水平位移逐漸減小，壁厚2.5 cm時鋼護筒最大水平位移為壁厚0.5 cm時鋼護筒最大水平位移的0.172。

3.2 應力分析

材料（鋼材）處于復雜應力狀況時，為了判定材料是否進入塑性階段，人們通常采用米塞斯應力指標。米塞斯應力（Mises應力）是一種折算應力，折算依據為能量強度理論，即第四強度理論[6]。在三向應力（立體應力）作用下，米塞斯應力可按式（2）計算。

式中，[σm]是米塞斯應力，MPa;[σ1]是第一主應力，MPa;[σ2]是第二主應力，MPa;[σ3]是第三主應力，MPa。

水壓力作用下的鋼護筒應力云圖如圖5所示。圖5（a）顯示，壁厚為0.5 cm時，鋼護筒最大水平位移為129 MPa;圖5（b）顯示，壁厚為1.0 cm時，鋼護筒最大水平位移為61.9 MPa;圖5（c）顯示，壁厚為1.5 cm時，鋼護筒最大水平位移為38.6 MPa;圖5（d）顯示，壁厚為2.0 cm時，鋼護筒最大水平位移為26.6 MPa;圖5（e）顯示，壁厚為2.5 cm時，鋼護筒最大水平位移為21.2 MPa。分析可知，隨著壁厚的增厚，鋼護筒米塞斯應力極值逐漸減小。壁厚2.5 cm時鋼護筒米塞斯應力極值為壁厚0.5 cm時鋼護筒米塞斯應力極值的0.164。

4 結論

本文研究了水壓力作用下超深鋼護筒的變形及受力，得到如下結論。鋼護筒的水平位移和應力隨著鋼護筒深度的增加而增大;隨著壁厚的變大，鋼護筒水平位移逐漸減小，壁厚2.5 cm時鋼護筒最大水平位移為壁厚0.5 cm時鋼護筒最大水平位移的0.172;隨著壁厚的變大，鋼護筒米塞斯應力極值逐漸減小。壁厚2.5 cm時鋼護筒米塞斯應力極值為壁厚0.5 cm時鋼護筒米塞斯應力極值的0.164。

參考文獻：

[1]熊俊華.新型無粘結鋼管外包混凝土組合結構在高壓輸水工程中的應用[J].吉林水利，2019（5）：33-36.

[2]鄧育林，湯軻，譚金華，等.考慮結構損傷的深水橋墩動水效應等效附加質量研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2019（4）：605-610.

[3]盧華喜，周珍偉，鄭孝輝.基于流體單元法的深水圓端型空心橋墩地震響應分析[J].建筑技術，2017（4）：353-356.

[4]陳鷹.橋梁深水基礎鋼管樁圍堰受力特性分析[J].鐵道建筑，2018（9）：27-30.

[5]高海東，趙濤，馬勝利，等.高水壓條件下鋼頂管管節密封性試驗及數值模擬研究[J].現代隧道技術，2015（2）：148-154.

[6]鞠彥忠，彭雅軒，田玉梅，等.材料力學[M].武漢：華中科技大學出版社，2013：102-103.