U型槽结构三维有限元分析

2016-07-27 03:17:21李宁

四川建筑 2016年2期

李　宁

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

U型槽结构三维有限元分析

李宁

(中铁二院工程集团有限责任公司, 四川成都 610031)

【摘要】文章结合某线新建时速200 km/h客运无砟轨道铁路U型槽工程实例，采用大型通用有限元软件ANSYS建立U型槽三维有限元模型，计算了U型槽结构在各个工况荷载下的结构变形、应力分布特点及规律，并对其结果进行分析、总结。结果显示，完建工况是U型槽结构设计中的控制工况，但由于结构在施工期下受力特征较完建期、运行期有较大区别，因此施工工况在结构设计中需单独检算，应引起设计者的重视。三维有限元计算结果与理论计算结果特点、规律吻合，其结论为其他类似的岩土或结构工程提供了重要参考。

【关键词】U型槽；三维有限元；ANSYS

随着我国经济建设推进，铁路及公路等交通基础设施建设也得到了迅猛发展。U型槽作为一种适用于地下水丰富、地下水位较高、放坡条件受到限制的挖方路基地段的新型结构，同时具有节约土地资源、环境影响小的特点，因此在近几年的高速铁路建设[1]、城市交通建设中被广泛应用。

作为一种新型结构，U型槽结构受力状态及失稳机理等计算研究仍处于经验阶段，现阶段常用计算方法一般将U型槽计算模型分为边墙和底板分别计算[2]，业内尚无针对该结构的成套计算方法或设计规范。而一般结构计算软件采用平面杆系单元模拟U型槽结构，弹簧单元模型地基梁边界条件[3-4]，不能确定忽略结构空间性及地基的连续性对计算结果准确性的影响，因此采用三维有限元理论对U型槽结构的理论计算方法进行对比验证具有重大的实际意义。

近年来，三维有限元计算已广泛应用于工程实际问题的研究。在计算中采用三维实体单元模拟U型槽结构及其边界条件，回避了平面杆系结构的缺点。文本结合铁路工程实例，运用大型通用有限元软件ANSYS建立三维模型，充分考虑施工及运行期荷载作用，揭示U型槽结构在不同工况下的

应力、变形分布规律。

1工程概况

某线新建时速200 km/h客运无砟轨道铁路U型槽(图1)。该段属冲积平原区，地形平坦，相对高差5～10 m；表水不发育，砂卵石土中孔隙潜水发育，水质一般，对混凝土无侵蚀性，而基岩裂隙水对混凝土结构具硫酸盐侵蚀；无不良地质，特殊岩土为人工填土、软土及松软土、膨胀岩、石膏，段内工程地质条件一般。地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.45 s。工程参数如下：

(1)结构尺寸：边墙高H=6 m，厚度0.9 m，底板宽16.6 m，高1.0 m，趾板宽1.5 m；

(2)设计水位：运营阶段地下水位为地表以下1.0 m；

(3)墙背回填卵石土参数：容重γ=21 kN/m3，浮容重γ`=11 kN/m3，内摩擦角φ=35°，粘聚力c=0 kPa；

(4)墙后堆载：运营阶段墙后堆载20 kN/m2；

(5)材料：U型槽底板、边墙均采用C35混凝土。

图1　U型槽代表横断面

2三维有限元模型

2.1计算范围及结构离散

为了消除模型边界对U型槽结构内力计算影响，确定有限元计算模型范围为：铅直向顶部取至地表，底部取至底板下20 m，横向取U型槽两侧边界约26 m范围，共70 m，线路防线取15 m。模型坐标系选取如下：

X向：水平垂直于线路方向；

Y向：水平沿线路方向；

Z向：垂直于XY平面，铅直向上。

U型槽及周围土体结构主要采用空间8节点等参实体单元，为了突出计算重点区域，降低计算成本，U型槽结构单元向周围土体逐渐采取6节点等参实体单元进行退化。整个计算域共离散为23 904个节点，21 870个实体单元(图2)。

图2　U型槽三维有限元模型网格

2.2计算工况及荷载组合

施工首先开挖基坑，之后施工U型槽主体结构，将U型槽主体浇筑前的位移视为零，采用生死单元法计算初始应力场，并在其余工况计算前读入。施工计算工况U型槽主体浇筑完成，墙后尚未回填，基坑采取降水措施。完建期为墙后回填完毕，U型槽结构周围土体仍处于降水状态。运行工况主要计算运营阶段不同荷载组合效应下U型槽主体结构受力状态。不同工况下荷载组合见表1。

表1　不同工况下荷载组合

3有限元计算结果整理

3.1施工工况计算结果整理

施工期U型结构浇筑完毕后应力分布主要受结构自重影响(图3)，最大拉应力出现在底板底部两侧，量值约为0.45 MPa；由于边墙外侧基坑尚未回填，边墙内未出现拉应力，内侧墙角处出现压应力集中现象；整体水平向位移接近于零。

图3　施工工况大主应力分布(以拉为正，单位：Pa)

3.2完建工况计算结果整理

完建期U型槽边墙两侧基坑回填完毕，应力分布受土压力影响发生较大变化(图4)，底板顶以受压为主，底板底以受拉为主，底板底部拉应力最大值出现在中部，向两侧过渡拉应力量值逐渐减小；边墙整体外侧受拉，内侧受压，量值由墙顶至墙角逐渐增大，最大拉应力出现在外侧墙角处，量值约为3.95 MPa，最大压应力出现在边墙内侧墙角处，量值约为5.53 MPa；边墙受土压力影响向凌空面方向变位(图5)，水平位移量值沿线路方向呈对称分布，最大位移值出现在两侧墙顶，量值约为2.38 cm。

图4　完建工况大主应力分布(以拉为正，单位：Pa)

图5　完建工况X向位移分布(沿X正方向为正，单位：m)

3.3运行工况计算结果整理

运行工况下U型槽大小主应力分布整体规律与完建期基本相同。由于地下水水位恢复，墙后堆载施加，应力量值较完建期略有增大，其中运行工况1下墙体最大拉应力达6.06 MPa，运行工况2下墙体最大拉应力达6.72 MPa；运行工况下两侧墙体均向U型槽内侧凌空面变位，其中运行工况1下墙顶最大水平位移4.37 cm，运行工况2下最大水平位移 4.39 cm(图6～图8)。