基于Midas/Civil的大體積混凝土料斗設計

大直徑樁的首灌混凝土量對于樁身的質量有較大的影響，而一個大體積混凝土料斗直接關系了樁身的質量及混凝土澆筑過程的安全。為了對大體積混凝土料斗設計分析，采用Midas/Civil有限元軟件進行大體積混凝土料斗建模，分析料斗的變形特征，采用十字撐對料斗進行了針對性加固，應用軟件中的屈曲模塊分析兩種型鋼十字撐的臨界荷載系數(shù)。結果表明：料斗的最大變形存在于吊點處；在型鋼斷面面積相等的情況下，料斗內(nèi)撐時應當優(yōu)先考慮選用X、Y方向慣性矩相同的型鋼。

混凝土料斗； Midas/Civil； 屈曲分析

TU473.1+4A

建筑設備與建筑材料建筑設備與建筑材料

［定稿日期］2023-02-28

［作者簡介］龔宋（1993—），男，本科，工程師，主要從事市政工程施工工作。

0" 引言

隨著國家大力發(fā)展公路、鐵路、市政等基建工程，建成了更多的大型橋梁，對于橋梁下部結構的承載力要求逐漸變大，大直徑樁（Dgt;2.5 m［1］）越來越常見，而大直徑、大深度的樁基一般采用鉆孔灌注樁，混凝土的灌注方法通常有導管法、泵壓法、柔性管法等［2］，其中導管法更為實用，采用導管法時由于首灌混凝土方量不足常造成樁身質量，樁易出現(xiàn)夾渣甚至斷樁。因此，應當針對樁基進行首灌混凝土方量的計算，并采用相應方量的混凝土料斗，而大體積混凝料斗自重大、導管及混凝土的荷載也較大，料斗易出現(xiàn)變形，影響料斗的安全使用。綜上，對于大體積混凝土料斗結構設計與分析是必要的。

Midas/Civil軟件是一個通用的空間有限元分析軟件，廣泛應用于橋梁設計、臨時設施驗算、工民用建筑［3］，該軟件自帶了大量的材料特性、建模助手，針對橋梁結構有適合于多種情況下的國內(nèi)外規(guī)范，該軟件建模方法簡單、分析快捷、可視化強、結果可靠性好，因此受到許多工程師及科研人員的青睞。因此，本文采用Midas/Civil軟件進行混凝土料斗建模并進行一系列分析，相比同類型的有限元軟件，采用Midas/Civil軟件建模更為簡單，荷載種類也較為豐富，極大地節(jié)約了建模時間。

1" 工程概況

以四川成都某景觀人行橋為工程背景，該橋梁主橋材料為鋼材，所用鋼材約6 240 t，共4個橋墩，每個橋墩下4個樁基，在基本組合作用下，樁基最大軸向壓力29 361 kN；橫橋向最大彎矩7 897 kN·m，順橋向最大彎矩2 013 kN·m；橫橋向最大水平剪力861 kN，順橋向最大水平剪力2 923 kN。

該橋梁選用的鉆孔灌注樁樁長為30 m，樁徑為2.5 m，樁基間距6.5 m，樁體采用C50混凝土澆筑。根據(jù)JTG/T 3650-2020《公路橋涵施工技術規(guī)范》［1］要求，首灌混凝土計算方法及圖示見式（1）、圖1。

V=πD24（H1+H2）+πd24h1（1）

式中：V為灌注首批混凝土所需數(shù)量（m3）；D為樁孔直徑（m）；H1樁孔底至導管低端間距（m），取0.4 m；H2為導管初次埋置深度（m），取1 m；d為導管內(nèi)徑（m），取0.3 m；h1為樁孔內(nèi)混凝土達到埋置深度H2時，導管內(nèi)混凝土柱平衡導管外壓力所需的高度（m），取12.6 m。

通過式（1）計算，該樁基首灌混凝土量為7.76 m3，綜合考慮，可采用體積為6.7 m3混凝土料斗，首灌過程中，采用泵車向料斗中持續(xù)泵料可滿足首灌混凝土量要求。

2" Midas/civil建模

2.1" 料斗概況

料斗筒壁擬采用Q235鋼板制作，鋼板厚為4 mm，料斗內(nèi)徑為2.35 m，直筒高1.15 m，錐桶高1.05 m，錐桶底直徑和高均為0.3 m，料斗斷面細部尺寸如圖2所示。料斗共設4個吊點，吊點水平面距吊鉤4 m，混凝土導管采用內(nèi)徑為0.3 m的常規(guī)導管，導管長約37 m。

2.2" 有限元建模及結果

2.2.1" 建立節(jié)點

由于料斗俯視截面均為圓形，可采用建立輪廓后進行旋轉的思路進行建模，以Z軸作為旋轉中心，先確定Z方向節(jié)點間距，按料斗輪廓確定各節(jié)點的X和Y方向的值，再采用節(jié)點表格輸入各節(jié)點坐標，節(jié)點編號見表1，按此表輸入后各節(jié)點如圖3所示。

建立單元前應先旋轉節(jié)點，使其可以通過四點建立板單元，設置材料為Q235，設置截面特性為薄板，設置板厚為4 mm，點擊四點即可建立板單元，再通過旋轉命令，設置旋轉角度為1°，復制次數(shù)為359次即可形成料斗模型。在料斗上部設置吊鉤節(jié)點（邊界約束X、Y、Z方向的移動），建立索單元連接4個吊點，至此，整個料斗模型已經(jīng)建立完畢，模型消隱圖如圖4所示。

建筑設備與建筑材料龔宋， 孫廣： 基于Midas/Civil的大體積混凝土料斗設計

2.2.3" 添加荷載

該模型考慮的荷載有自重、導管重、混凝土荷載。自重可直接通過“荷載—自重”進行添加，自重方向為-Z；導管質量可通過“荷載—節(jié)點荷載”添加相應的荷載；混凝土荷載可通過“荷載—流體壓力荷載”進行板單元的流體壓力加載。

2.2.4" 運行結果

上述步驟完成后進行運行，運行結果變形如圖5所示，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，料斗最大變形處位于吊點處，最大變形量約190 mm，變形方向為料斗內(nèi)部，為了保證料斗的安全使用，應在料斗內(nèi)增加十字撐，支撐點宜布置在吊點處。十字撐擬采用C100×48×5.3/8.5槽鋼，十字撐設置為梁單元，添加后進行運行，運行結果變形如圖6所示，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)，添加十字撐后，吊點處的變形得到了抑制，變形分布也更均勻，料斗的最大變形處在2個吊點之間，最大變形量約為6 mm，這種較小的變形，可考慮在料斗壁口進行加厚處理或增加環(huán)形箍。

2.2.5" 十字撐屈曲分析

綜上可見，通過增加十字撐可以很好地抑制料斗的變形，而在實際使用過程中，料斗中的十字撐由于初始幾何缺陷、初始應力、殘余應力等影響，往往會發(fā)生屈曲，屈曲通常發(fā)生在型鋼的弱軸，如圖7所示。

為了保證料斗的安全性和適用性，需要對十字撐進行屈曲分析，由圖8可見十字撐軸向力為1.3 kN。進行屈曲分析時，考慮十字撐中心向上偏移1 cm的制造誤差，受到混凝土的上浮力為12 N。

單獨對十字撐進行線彈性屈曲分析，以確定十字撐是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。采用Midas/Civil軟件可以較快進行屈曲分析，分析步驟一般為：建立模型（建立節(jié)點、單元、邊界、荷載等）—屈曲分析控制—運行分析—查看結果（屈曲模態(tài)），按此方法首先分析了C100×48×5.3/8.5槽鋼的穩(wěn)定性，屈曲模態(tài)結果如圖9所示，該結構的一階模態(tài)臨界荷載系數(shù)為76.1，滿足屈曲穩(wěn)定的要求，但在實際使用中存在疲勞損傷及初始幾何缺陷，料斗多次使用后會在弱軸方向加速結構失穩(wěn)。為了放置十字撐在弱軸方向失穩(wěn)，在此考慮X、Y方向慣性矩相等的材料進行屈曲分析，將C100×48×5.3/8.5槽鋼替換為等面積的B80×4方管，分析B80×4方管的穩(wěn)定性，結果如圖10所示，該結構的一階模態(tài)臨界荷載系數(shù)為328.2，因此，在型鋼斷面面積相等的情況下，料斗內(nèi)撐時應當優(yōu)先考慮選用X、Y方向慣性矩相同的型鋼，如方管、圓管等。

3" 結論

本文以某景觀人行橋工程為例，采用Midas/Civil軟件進行了大體積混凝土料斗的建模，并分析計算了大體積混凝土料斗的內(nèi)力及變形，并根據(jù)料斗的變形特點，進行針對性的局部加固。根據(jù)現(xiàn)場實際出現(xiàn)的問題，分析了料斗十字撐失穩(wěn)的情況，在型鋼斷面面積相等的情況下，料斗內(nèi)撐時應當優(yōu)先考慮選用X、Y方向慣性矩相同的型鋼。結果表明，該料斗的強度、剛度、穩(wěn)定性可以滿足要求，對于料斗進行建模分析是十分必要的，也為類似結構的快速建模提供了思路。

參考文獻

［1］"" 公路橋涵施工技術規(guī)范： JTG T 3650 2020［S］. 北京：人民交通出版社， 2020.

［2］" 房江鋒，趙鑫波，郭秋蘋，等.超深大直徑旋挖樁水下混凝土灌注工藝研究［J］.山西建筑， 2022， 48（7）： 52-55.

［3］" 吳永盛， 謝云. Midas/Civil軟件在臨時結構計算的運用［J］. 福建建筑， 2012（4）： 76-77.