基于ANSYS的埋管交叉结构设计探讨

符昌胜，黄 凯

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 550002)

1 工程概况

夹岩水利枢纽北干渠西溪倒虹管进、出口分别连接白马大坡明渠、凉水井隧洞。倒虹管总长529.6m，设计流量28.00m3/s，布置2根φ2.9m钢管过水。结构主要含进出口段、进出口的混凝土包管和跨河管桥段。为满足周边村寨交通，需对倒虹管上游段埋管上部公路进行复建，设计采用板桥结构横跨，为减小板桥跨度，在双管外包混凝土中部设置支撑，因此需复核上部压力对外包混凝土以及钢管的影响。

凹水河水库工程右岸施工期进场运输采用现有西溪河右岸乡村泥结石道路接004县道，泥结石路段长5.3km，路基宽5-7m。该乡村道路与夹岩水利枢纽工程北干3标西溪河倒虹管上游埋管段(桩号0+166.818-0+178.818)交叉，埋管管径2.9m，采用双管布置，外包钢筋混凝土最小厚度0.8m。经复核本工程施工期通过最大车辆荷载为50t，为避免其对西溪河管槽的影响，对该段采取相应工程措施。

2 C30板桥方案跨越西溪倒虹管管槽设计方案

2.1 方案说明

考虑到现场工期要求紧、方便施工等因素，采用C30板桥方案跨越西溪倒虹管管槽，板桥长度10.5m，宽度7m，桥板高度0.8m，两侧支座置于管槽两侧C20回填混凝土上，中间支座置于管槽管包混凝土中部位置，上下两侧支座处设置限位墩，下游侧支座采用C25支座锚筋锚入管槽两侧C20回填混凝土中。板桥上部回填碎石土，回填高度不低于1.0m，顶部按原道路标准恢复。

2.2 材料参数

1)混凝土。桥板采用C30混凝土。参数指标见表1、表2。

表1 公路规范混凝土参数指标

表2 水利规范混凝土参数指标

2)受力钢筋采用HRB400级钢筋参数指标见表3、表4。

表3 公路规范钢筋参数指标

表4 水利规范钢筋参数指标

2.3 桥板荷载及配筋计算

桥板设计荷载为公路-Ⅱ级

根据为规范《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2015)车辆重轴传力方式如下：

1)桥板受力荷载计算。因板桥上部回填碎石土，根据规范车辆荷载下传分布原则，可得：总荷载见表5。

表5 总荷载

2)配筋计算。取桥板单宽1m作为计算单元，根据桥板受力分析，当车轮处于单跨跨中时，其桥板所受弯矩最大，采用此工况进行桥板受力钢筋计算，当车轮处于中间支座处时，中间支座反力最大，采用此工况对下部管槽混凝土局部承压复核。

2.4 局部受压承载力计算

由于下部支座两边为素混凝土，按照下部支座为素混凝土进行局部承压验算根据SL191-2008P33第5.4.1素混凝土构件的局部受压承载力验算符合下列规定：

KFl≤ωβlfcAl
βl=(Ab/Al)0.5

(1)

式中：K为承载力安全系数；Fl为局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值，N；Al为局部受压面积，mm2；βl为混凝土局部受压时的强度提高系数；Ab为混凝土局部受压时计算底面积(mm2),根据局部受压面积与计算底面积同心对称原则确定可按下图取用；ω为荷载分布影响系数，当局部受压区内的荷载为均匀分布时，取ω=1；当局部荷载为非均匀分布时取ω=0.75；fc为混凝土轴心抗压设计值。

表6 混凝土构件的局部受压承载力验算

结论：局部承压满足设计规范要求。

3 有限元复核

3.1 计算模型与参数

按照设计图纸资料及现场情况建立板桥及倒虹吸管管槽段的三维有限元模型。其中，x向以指向模拟汽车顺道路行驶方向为正；y轴方向取铅直方向，以向上为正；z轴为管轴向，以向上为正；板桥结构总跨度为10.5m，基岩范围上下游延伸15m，宽度方向取7m，地基向下延伸21m。有限元模型中考虑板桥结构、倒虹吸管包管混凝土结构等的实际体型，共形成实体单元65900个，倒虹吸管本身采用壳单元模拟，共形成壳单元1800个。

3.2 计算荷载与边界条件

整个计算模型，对基岩侧边界施加法向约束，底边界施加全约束。在模型顶部，施加覆土压力(按1.0米深计)及车辆荷载，其中，车辆荷载随时间变化位置，以模拟实际车辆驶过该板桥结构的过程。

3.3 计算结果

本节分析板桥结构在荷载作用下的应力及变形情况，考虑车辆荷载随时间的变化，并选取板桥结构整体及倒虹吸管进行分析，具体计算结果如下:

图1-图2分别为各时刻车辆荷载作用下的最大主压应力及竖向位移的云图；图3-图4分别为倒虹吸管最大主压应力及竖向位移分布情况。

图1 主压应力分布云图(t=9.1)

图2 主压应力分布云图(t=12.1)

图3 主压应力分布云图(t=9.1)

图4 主压应力分布云图(t=12.1)

从图中可以看出，除边界局部应力集中区域外，板桥结构及倒虹吸管结构内部大部分区域主压应力值<0.1MPa。由于两侧约束的边界部位出现应力集中情况，故选取左侧倒虹吸管中间截面圆顶部及底部节点作为代表点，并分析其最大主压应力变化情况。图5为各时刻倒虹吸管中间截面代表点主压应力随时间变化过程。

图5 中间截面底部及顶部主压应力随时间变化历程

从图5中可看出，各个时刻最大主压应力值为72.9kPa，相应的时间为20.6；此时，双后轮处于板桥中线位置附近，符合一般规律；对应地，总的竖向位移最大为1.12×10-4m。

4 结 论

本章在设计图纸的基础建立了板桥及倒虹吸管结构的整体三维有限元模型，对倒虹吸管的受力及变形情况进行了计算分析，计算过程中考虑了动态的进场道路车辆荷载及覆土自重对板桥结构及倒虹吸管的影响。结果表明，车辆行驶过程中钢管顶部最大主压应力为72.9kPa，最大竖向变形仅0.1mm，远低于规范要求圆度偏差5D/1000=14.5mm。因此，在包管混凝土及板桥结构的保护下，车辆荷载对倒虹吸管结构的影响较小，不会影响该结构的安全。