基于ABAQUS的微型頂管鋼沉井受力分析

中圖分類號(hào)：TU33+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）23-0074-05

Abstract：Theapplicationofmicropipejackingtechnologyhasdeplydeveloped.However，thereiscurrentlyalackof technicalcodeandengineringsoftwareavailableforthestressanalysisofsteelopencaisson.Thenumericalanalysismethodis usedtostudythisissue.Intheprocessofconstructionandrecovery，thesteelcaissonwillproducediferentdegreesof deformation.Out-of-roundnessisintroducedtoindicatethedegreeofdeformationofsteelopencaison.Onesideofthesteel caissonisaroadwayndtheothersideisanon-motorizedlane.Diferentgroundliveloadsareapliedonbothsidesof the steelopencaisson.Theforceanalysis modelofstelcaissonisestablishedbyABAQUSfiniteelementsoftware.Thevariationlaw of stress and deformation was analyzed based on diffrent out-of-roundness and depth of steel open caisson.

Keywords： micro pipe jacking; steel open caisson; out-of-roundness; numerical analysis； ABAQUS

城市生活污水收集管網(wǎng)是污水處理中關(guān)鍵的組成部分。黑臭水體整治的重點(diǎn)在雨污分流，新建污水管道以小口徑管道居多。城市老舊城區(qū)道路狹窄，又不能因?yàn)楣艿朗┕ざ袛嘟煌ǎ敼芗夹g(shù)為解決這種矛盾提供很好的方案，而且頂管施工的質(zhì)量更便于控制，尤其在地下水位以下的土層中，優(yōu)勢更明顯。微頂管管徑通常在 200～800mm^[2] ，微頂管技術(shù)是一種非開挖施工技術(shù)，具有開挖量小、對道路交通影響小、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)]。

微頂管井通常采用圓形豎井搖管機(jī)施工的鋼沉井，鋼沉井主要受到地下土壓力、水壓力和地面交通活荷載等作用。然而，目前鋼沉井受力計(jì)算通常參照鋼筋混凝土沉井的四支點(diǎn)計(jì)算模型，對鋼沉井的受力分析缺乏規(guī)范依據(jù)和成熟軟件可用。本文基于大型通用有限元軟件ABAQUS，針對鋼沉井的受力特點(diǎn)，結(jié)合施工現(xiàn)場鋼沉井實(shí)際承受的荷載，分析鋼沉井的應(yīng)力和變形情況，為設(shè)計(jì)和施工提供支撐。

1 工程概況

本項(xiàng)目為某污水處理廠配套管網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目中微頂管的管徑以DN300～DN600居多，管材為球墨鑄鐵管，管道埋深在 2.5～7.0m ，頂管井通常設(shè)在道路一側(cè)，微頂管段典型布置圖如圖1所示。微頂管井采用搖管機(jī)施工的鋼沉井，圓形工作井為I 12590×20 的鋼環(huán)，材質(zhì)為 Q235B 。

圖1市政道路典型橫斷面圖

本工程管道施工區(qū)域位于市區(qū)，周邊存在中高層建（構(gòu)）筑物，地下存在交通信號(hào)管、電力電纜等其他管線。根據(jù)地勘報(bào)告，場地主要有素填土、細(xì)砂層和圓礫層；地下水位較深對管道施工影響較小。場地土層的主要力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1土層主要力學(xué)指標(biāo)一覽表

2 建立模型

鋼沉井在施工及回收的過程中會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，其承載能力與其幾何形狀密切相關(guān)的，此處引人不圓度用以表示鋼沉井的變形程度。不圓度是指管的內(nèi)外徑同心，形成壁厚相同的橢圓。設(shè)橢圓外徑的最大尺寸為 D_max. 最小尺寸為 D_min ，均勻壁厚用 χ_t 表示，則不圓度 e 用如下公式表示

由上式可知，不圓度 e 越大，表示圓形變形程度越大。本文對鋼沉井在不同不圓度情況下的受力進(jìn)行分析，取不圓度在 0%～20% 之間和深度在 4～10m 的有限元模型分別計(jì)算，討論在不同不圓度下鋼沉井的應(yīng)力和變形情況。

考慮到鋼沉井一側(cè)為車行道，另一側(cè)為非機(jī)動(dòng)車道，地面活載分別取 30kPa 和 10kPa 。為方便建模按照最大土壓應(yīng)力和土壓力合力不變的原則對土壓力分布進(jìn)行簡化，土壓力分布如圖2所示。在討論不圓度對鋼沉井的影響時(shí)，鋼沉井的深度取 H=6m ；在討論不同深度 H 的影響時(shí)，不圓度 ρ_e 分別取為 0%.3% ！6%9%，12% 。鋼沉井材料參數(shù)如下：彈性模量為 206× 10³N/mm² ，質(zhì)量密度為 7850kg/m³ ，Q235B的泊松比為0.3；由于鋼沉井的壁厚遠(yuǎn)小于其直徑，在ABAQUS軟件中采用S4R殼單元模擬井壁的受力和變形情況，網(wǎng)格單元尺寸控制在 0.5m 左右。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

在本項(xiàng)目的工作環(huán)境下，鋼沉井的應(yīng)力和變形分布如圖3和圖4所示。由圖可知，鋼沉井的最大應(yīng)力點(diǎn)在井底，而變形最大點(diǎn)在井的頂部。模型中 Y 軸正方向?yàn)榉菣C(jī)動(dòng)車道， Y 軸負(fù)方向?yàn)闄C(jī)動(dòng)車道。當(dāng) e=0% 時(shí)，鋼沉井橫截面關(guān)于 Y 軸對稱的兩側(cè)均有向非機(jī)動(dòng)車道擠壓變形的趨勢，呈現(xiàn)三點(diǎn)式受壓變形的特點(diǎn)，橫截面變形明顯不同于埋地鋼管上下受壓左右受拉兩點(diǎn)式受壓的特點(diǎn)[8-9]。當(dāng) e=3% 時(shí)，非機(jī)動(dòng)車道一側(cè)中部仍有向機(jī)動(dòng)車道一側(cè)擠壓的趨勢，而機(jī)動(dòng)車道一側(cè)中部的位移接近于0。當(dāng) egt;3% 時(shí)，鋼沉井在 X 軸上下半邊均向井內(nèi)變形，而左右兩側(cè)向井外變形，加劇了鋼沉井的橢圓化，鋼沉井的變形呈現(xiàn)兩點(diǎn)式受壓的特點(diǎn)。

圖2鋼沉井受力分布圖

鋼沉井最大應(yīng)力和最大變形在不同不圓度 ρ_e 的變化曲線如圖5所示，當(dāng) e 在 0%～4% 時(shí)，隨著 ρ_e 的增大，最大應(yīng)力 S_max 先下降再升高且均在 8MPa 左右；當(dāng)e?5% 時(shí)，隨著 e 增大，最大應(yīng)力 S_max 也增大，兩者的關(guān)系近似為線性相關(guān)。當(dāng) e=20% 時(shí)，最大應(yīng)力 S_max 達(dá)到 22.42MPa ，約為 e=0% 時(shí)的2.76倍。隨著 e 的增加，最大位移 U_max 也隨之增大。當(dāng) e?7% 時(shí)最大位移U_max 增大的幅度變大，且最大位移 U_max 與不圓度 e （204號(hào)也近似為線性相關(guān)。當(dāng) e=20% 時(shí)，最大位移 U_max 為2.52mm ，約為 e=0% 時(shí)最大位移 U_max 的3.42倍。由此可見，對于深度 H 為 6m 的鋼沉井，不圓度從 0% 增大至 20% 時(shí)，鋼沉井的最大應(yīng)力 S_max 和最大位移 U_max 均增加約3倍。

鋼沉井在不同深度 H 和不圓度 e 的最大應(yīng)力如表2和圖6所示。當(dāng)鋼沉井的深度 H 為4、5和 6m 時(shí)，鋼沉井 S_max 都隨著 e 增大呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢， S_max 最小點(diǎn)在 e=3% 或者 e=6% 。當(dāng)鋼沉井深度 H= 4m 增加到 H=10m 時(shí)，最大應(yīng)力 S_max 的最大值與最小值的比值 m 由1.20增大至 3.01 。對不同的 e ，鋼沉井S_max 也都隨著深度 H 的增大而增大。當(dāng) e=0% 時(shí)，鋼沉井 S_max 在深度 H 增加 1m 時(shí)增大的幅度 ΔS_max 先減小再增加；當(dāng)不圓度 e 在 3%～12% 時(shí)，隨著鋼沉井深度 H 的增加， S_max 的增幅 ΔS_max 也單調(diào)增加，但增幅的增速在放緩；隨著 e 的增大，增幅 ΔS_max 也增大。對 e=12% 和深度 H=10m 的鋼沉井，考慮結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù) γ₀ 和荷載分項(xiàng)系數(shù)用效應(yīng)為 58.3MPa ，小于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 f=205MPa 。因此，本項(xiàng)目中所使用的鋼沉井作為微頂管井時(shí)通常

鋼沉井在不同深度 H 和不圓度 e 的最大位移如 U_max 都隨著不圓度 e 的增大而增大；對不同的不圓度表3和圖7所示。對不同的鋼沉井深度 H ，最大位移 e ，最大位移 U_max 也都隨著深度 H 的增大而增大。當(dāng)鋼沉井的深度由 4m 增加到 10m 時(shí)，最大位移 U_max 的最大值與最小值的比值 n 由1.109增大至6.000；對比表1和表2可知，當(dāng)鋼沉井深度 H?6m 時(shí)，比值 n 和比值 m 較為接近，但當(dāng)深度 H 增加至 10m 時(shí)，比值 n 約為比值 m 的2倍。當(dāng)鋼沉井的不圓度 e=0% 時(shí)，鋼沉井的最大位移 U_max 在深度 H 增加 1m 時(shí)增大的幅度ΔU_max 先減小再增加，當(dāng)鋼沉井的不圓度e在 3% 212% 時(shí)，隨著深度 H 的增加，鋼沉井最大位移 U_max 的增幅 ΔU_max 單調(diào)增加。

4結(jié)論

目前現(xiàn)有的規(guī)范對鋼沉井的設(shè)計(jì)未做出明確規(guī)定，大多依賴施工經(jīng)驗(yàn)，本文利用ABAQUS軟件對鋼沉井在復(fù)雜工況下的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。通過建立鋼沉井的有限元模型，結(jié)合鋼沉井實(shí)際受力狀態(tài)，分析了不圓度 ρ_e 和深度 H 對鋼沉井最大應(yīng)力和位移的影響，結(jié)果表明：

1）當(dāng)不圓度 elt;3% 時(shí)，鋼沉井變形呈現(xiàn)出三點(diǎn)式受壓的特點(diǎn)；當(dāng)不圓度 e?3% 時(shí)，鋼沉井在 X 軸上下半邊均向井內(nèi)變形而左右兩側(cè)向井外變形，鋼沉井的橢圓化加劇，呈現(xiàn)出兩點(diǎn)式受壓的特點(diǎn)。

2）鋼沉井深度 H=6m 時(shí)，不圓度 elt;4% 時(shí)，其最大應(yīng)力 S_max 呈現(xiàn)先下降再升高的趨勢，但最大應(yīng)力均在 8MPa 左右;當(dāng)不圓度 e?5% 時(shí)，隨著不圓度增大，最大應(yīng)力 S_max 也增大，兩者的關(guān)系近似為一條直線。

3）鋼沉井深度 時(shí)，不圓度由 0% 增加至20% 時(shí)，鋼沉井的最大應(yīng)力 S_max 和最大位移 U_max 都增大約3倍。

4鋼沉井在不同深度 H 和不同不圓度 e 下的最大應(yīng)力和最大位移變化規(guī)律不完全一致，當(dāng)鋼沉井深度H?6m 時(shí)，最大應(yīng)力 S_max"的最大值與最小值的比值 m 和最大位移 U_max"的最大值與最小值的比值 n 較為接近，但當(dāng)深度 H 增加至 10m 時(shí)，比值 n 約為比值 m 的2倍。

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