预制箱涵吊装及工作状态数值分析

王少辉　黄胤超　姜明元

(1．中交一公局第一工程有限公司，北京　102205;2．湖南省高管局永吉高速公路建设开发有限公司，湖南吉首　416000)



预制箱涵吊装及工作状态数值分析

王少辉1黄胤超2姜明元1

(1．中交一公局第一工程有限公司，北京102205;2．湖南省高管局永吉高速公路建设开发有限公司，湖南吉首416000)

摘要:采用ABAQUS有限元软件，考虑箱涵施工吊装过程及箱涵汽车移动荷载作用，建立了箱涵及路基三维有限元模型，计算并分析了箱涵施工吊装状态及箱涵工作状态下的应力，提出了箱涵吊装注意事项及箱涵结构的建议，为预制箱涵施工提供参考。

关键词:预制箱涵，吊装，ABAQUS，应力

0　引言

预制装配式箱涵在铁路上应用较为广泛，但是在公路上应用较少，在市政工程中主要应用在顶进施工中［1，2］。国内预制装配式混凝土箱涵应用较少，而国外地下管道中预制装配式箱涵占有较大比例，在工程中大量应用在公路建设领域施工现场标准化的背景下，箱涵采用预制拼装施工前景较为看好［3，4］。

预制箱涵的分析有理论计算方法、试验方法以及数值模拟方法［5，6］。理论计算方法计算过程繁琐，试验方法成本大，耗时长，而数值模拟方法成本低，计算快，过程简单，在大型结构计算中，往往采用数值模拟的计算方法降低计算分析成本。

本文通过大型有限元软件ABAQUS建立了预制箱涵的三维模型，分析了预制箱涵在施工吊装及箱涵运营过程中的应力，通过应力大小分析箱涵安全可靠性，为箱涵设计和施工提出建议，并为类似工程提供参考。

1　计算假定及模型

1．1计算假定

由于箱涵实际使用过程中可能会遇到不同情况，结果会受到各种条件的影响，而计算中难以考虑所有因素，故而需要对模型部分进行简化运算。本次数值分析中采用如下假定:

1)预制箱涵，面层，基层与路堤采用弹性均质各向同性材料; 2)不考虑水的影响;3)模型基于Mohr-Coulomb屈服准则，采用非对称算法。

1．2模型尺寸及材料参数

按照箱涵的不同形式，建立箱涵对应的道路模型，如图1所示。

图1　箱涵及对应的道路模型

箱涵对应的道路模型采用三维八节点缩减积分单元，即C3D8R。

吊装状态下箱涵模型长度为10 m，宽度为6 m，根据箱涵形式不同，高度略有不同，本文研究了不同尺寸箱涵在工作状态下的受力结构特征，见表1。模型材料类型及参数如表2所示。

1．3模型荷载

1)吊装荷载。吊装分析采用静力问题分析方法，对位于四个角点的吊环位置施加面荷载，模拟吊环的实际受力状态，施加荷载如图2所示。

表1　箱涵以及模型尺寸表

表2　模型材料类型与参数表

图2　吊环所在面荷载分布示意图

根据吊环的钢筋面积，且荷载分布形式为圆形，可以换算出荷载加载的圆面半径为0．023 m，且斜向荷载可以分解为竖向荷载和水平向荷载，荷载大小计算公式为:

其中，G为重力;S为每个吊环作用面积;r为吊环作用圆面的半径;Ps为竖向荷载;Ph为水平向荷载。

箱涵自重取18．3 t，荷载面积计算为16．61 cm2，竖向荷载为27．9 MPa，水平向荷载为16．1 MPa。

2)工作荷载。模型采用移动恒载，荷载大小为0．7 MPa，加载面积为(0．3×0．2)m2，汽车两轴间距1．8 m，汽车行驶速度为90 km/h，为节省计算量，加载到涵洞中心线停止，自重加载1 s，取移动荷载总加载时间为1．12 s，每一块受荷面加载时间为0．08 s，以此模拟荷载的移动。荷载加载示意图如图3所示。

图3　道路加载示意图

2　模拟结果及分析

由图4可知，从整体受力特点上看四个吊点处存在应力集中，箱涵顶板上半部分应力相对较大，下半部分应力相对较小，侧壁靠近吊环的部分和节点内侧应力也相对较大。但是从数值上看只有吊环附近应力较大，其余部位的应力很小，不超过1 MPa。而吊环附近的区域内应力有的超过了30 MPa，这是由于施加的荷载应力较大导致，但实际工程中由于吊环是由钢筋组成的，且存在钢筋锚固长度分散应力，故实际应力应小于模拟值。同时可以看出底板应力相对很小，可以认为底部施加的边界条件未产生较大的影响，模型应力分析结果正确。需要特别注意的是应力结果与吊索的角度有一定的关系，实际中应尽量增大吊索角度，减小水平向应力，同时注意吊环附近的钢筋补强与应力分散效果。

当汽车荷载移动至道路箱涵中心线时，可以取箱涵顶面中心线横向应力的分布，如图5所示。将不同尺寸箱涵计算结果绘制成应力曲线，如图6所示。

图4　吊装状态应力计算结果

图5　工作状态应力计算结果

图6　箱涵顶面中线应力横向分布图

由图6可知，第7种箱涵的应力最大，其次是第8种，第9种箱涵的应力，且可以看出箱涵顶面中心处的应力最大，这是由于应力扩散的结果。所以取箱涵顶面中心处的应力作为关键点的应力作分析，除此之外，车轮位置下方的应力也相对较大。提取箱涵内侧顶面中心处的应力如图7所示。

图7　不同箱涵形式内侧顶面中心处应力

由图7可以看出第7种箱涵形式的内侧顶面中心处应力最大，其次是第8，9种箱涵形式的应力，这主要是受高跨比和箱涵跨度大小的影响。跨度越大，高跨比越小，应力越大。

3　结论及建议

通过对本项目的预制箱涵进行数值模拟，分析预制箱涵在翻转，吊装及使用状况下的应力状态，分别探讨了预制箱涵在这三种状态下的受力特点。通过对箱涵翻转和吊装状态采用静力分析方法进行分析，对使用状态下的箱涵采用移动恒载进行加载，给出箱涵的应力分布，得出以下结论及建议:

1)在箱涵吊装状态时，箱涵四个吊点处存在应力集中，周边呈应力分散状态，且箱涵顶板上半部分应力较大，下半部分应力相对较小，侧壁靠近吊环的部分和节点内侧应力也相对较大。应力集中区域面积很小，只在吊环所在位置附近，应当对吊环附近位置进行钢筋补强，且吊环应具有一定的锚固深度以分散应力。需要特别注意的是应力结果与吊索的角度有一定的关系，实际工程中应尽量增大吊索角度，减小水平向应力。

2)在箱涵使用状态下，箱涵底部中心处与底部节点处应力较大，其他位置应力相对较小。根据应力图形中应力大小，不超过1 MPa，可以认为箱涵在正常使用状态下安全。但应注意路基的不均匀沉降，温度应力，渗流等问题可能造成箱涵结构的破坏或影响箱涵正常功能的使用，实际工程中应重点关注这些方面。

参考文献:

［1］靳志强，何继选．预制装配式箱涵在西部戈壁地区的应用［J］．施工技术，2014(S1):141-145．

［2］符碧惠，李玉红．预制装配式箱涵的实用计算方法研究［J］．城市道桥与防洪，2011(12):143-145．

［3］郭瑞．高速公路浅覆土特长箱涵顶进关键技术研究［D］．西安:长安大学，2014．

［4］马建勇．装配式箱涵在公路建设中的推广应用［J］．内蒙古公路与运输，2013(4):41-42．

［5］颜丹青．装配式钢筋混凝土管型通道现场试验及数值模拟研究［D］．合肥:合肥工业大学，2009．

［6］朱吾中．涵洞土压力的数值模拟分析［D］．太原:太原理工大学，2009．

·建筑材料及应用·

Numerical analysis of prefabricated box culvert in condition of lifting and working

Wang Shaohui1Huang Yinchao2Jiang Mingyuan1
(1．No．1 Engineering Co．，Ltd．of FHEC of CCCC，Beijing 102205，China; 2．Hunan Highway Administration Bureau Office，Ltd．of Yongji Highway Construction Development Co．，Jishou 416000，China)

Abstract:Using the finite element software ABAQUS，models of prefabricated box culvert and subgrade are built．Stresses of prefabricated box culvert are calculated and analyzed considering the lifting load in construction and the moving load in working．Some appropriate suggestions to prefabricated box culvert construction and structure are proposed．The result can provide a reference to the construction of similar projects．

Key words:prefabricated box culvert，lifting，ABAQUS，stress

作者简介:王少辉(1982-)，男，工程师

收稿日期:2015-10-27

文章编号:1009-6825(2016)01-0114-02

中图分类号:TU756

文献标识码:A