第26卷第1期 2007年2月 重庆交通学院学报 Vo1.26 No.1 Feb..2oo7 JOURNAL OF CHONGOING JIAOTONG UNIVERSITY 多年冻土地区无基波纹管 涵洞 冻胀分析 石桂梅 ,贾艳敏 ,邓 琦 (1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海200092;2.东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150040; 3.江西省交通厅,江西南昌330000) 摘要:为分析波纹管涵洞冻胀下的受力机理,利用大型有限元软件对多年冻土地区采用的金属波纹管涵洞进行力学 性能分析,具体分析了在底面两端产生不同的冻胀量时,换填厚度、壁厚、上部填土厚度对涵管受力性能的影响,提 出了针对常用直径为lm的波纹管涵洞适用的结构形式;同时得出了金属波纹管本身具有较大的横向补偿位移的能 力。可适应较大的变形和沉降要求. 关键词:金属波纹管涵洞;冻胀力;冻胀量;有限元分析 文献标识码:A 文章编号:1001-716X(2007)01-0060-05 中图分类号:U416.1 68;U449.83 Frost Heaving Analysis of Corrugated Pipe Culvert without Foundation in Permafrost Region SHI Gui.mei 。J Yan.min ,DENG Qi。 . (1.The Key Laboratory of Road and Trafifc Engineering of the Ministry f oEducation,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.School f oCivil Engineering,Northeast Forestry Universiy,Heitlongjiang Harbin 150040,China; 3.Communication Department of Jiangxi Province,Jiangxi Nanchang 330000,China) Abstract:In order to analyze stress mechanics of corrugated pipe culvert on the condition of frost heaving,the mechanical property of metal corrugated pipe culvert in permafrost region is analyzed witll large-scale fiitne element software.And by oncrcetely analyzing the effect of soil displacement thickness,pipe wall thickness and upper soil displacement thickness on mechanical property ofpipe culvert when the two ends ofculverts occurs diferent degrees offrost heaving,the structural style suited for corrugated pipe culvert with the diameter of 1.Om in common use is put forward.At the same time,that the metal corrugatd pipee has outstandig capaciny otf axial supplement displacement is educed,which Can meet the demands of rather larger deformation and settlement. Key words:metal corrugatd piee cuplvert;frost-heave force;frost-heave degree;finite element analyses 我国幅员辽阔,多年冻土分布广泛,约占国土面 积的22%.根据统计u J,在多年冻土地区所建的涵 洞结构物,主要类型为钢筋砼盖板涵,占7l%,涵洞 破坏普遍,其中严重破坏占15.5%,一般破坏占 21.1%,轻微破坏占63.4%.产生这些病害的主要 原因是涵洞基础下多年冻土上限变化,季节活动层 冻胀和融沉反复作用造成的冻融疲劳破坏.为了减 型是保证工程质量、降低造价的主要技术关键.现多 采用效果较好的金属波纹管涵洞替代原有的涵洞结 构类型,但目前尚缺对波纹管涵洞在冻胀情况下的 受力性能分析,制约了其应用发展. 1 金属波纹管力学特性分析 波纹钢管作为地下结构被广泛应用的重要因素 是柔性的波纹钢管与它周围的回填物质之间发生综 合的相互作用l2】。理想的地下结构的所有位置都应 少涵洞工程的病害,提高涵洞工程在多年冻土地区 的使用寿命,在多年冻土地区正确选择涵洞结构类 收稿日期:2005.12-14;修订日期:2006.03.07 作者简介:石桂梅(1974-),黑龙江人,助教,博士生,主要研究方向为道路材料和路面设计方法.e・mail:shiguimei@gmail. om. c维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 石桂梅等:多年冻土地区无基波纹管涵洞冻胀分析 6l 对管体周围和其上面泥土的荷载起作用,波纹钢管 接近这个理想结构.安装后的波纹钢管既柔韧又结 拱成型,其周围回填后形成一个拱形结构和一个弹 性层,这个弹性层不断地均衡四周压力. 波纹管最突出的特点是管壁采用了波纹的形 式,一方面增大了涵洞与空气接触的表面积,另一方 面波纹形增大了管内侧表面的摩擦系数,使管内空 气层流变成紊流,增强了管的换热性能,对涵洞下地 基或涵洞周围地基冻土上限的抬升有利. 利用大型有限元分析软件对金属波纹管和普通 钢管进行变形和应力分析. 对金属波纹管和普通钢管取相同轴向长度 0.21 m,不同直径,相同板厚0.003 m,都采用 SHELL93八节点壳单元,单元数均为4 000个,均匀 受围压10 kN/m 的情况进行对比分析. 1.1位移对比分析 不同直径波纹管和钢管位移对比分析结果如表1. 表1 不同直径波纹管和钢管位移对比分析 分析可知:金属波纹管的轴向位移远远大于普 通钢管的轴向位移,具有较大的轴向补偿位移的作 用,且随着直径的减小,轴向补偿位移的能力越强. 不同直径的波纹管和普通钢管其径向位移基本相 当. 2.1 模型材料的力学参数 波纹管:材质Q235钢 3 J,弹性模量Ex=2×10 MPa,密度P=78.33 kN/m ,泊松比 =0.3,钢材的 容许应力[or]=170 MPa,波纹管允许变形量为涵管 直径的5% . 土体 ]:采用单一土体,弹性模量Ex=400 1.2应力对比分析 定义Von Mises应力or 作为强度条件,不同直 径最大应力对比分析结果如表2.其中,or…= MPa,密度P=19 kN/m ,泊松比 =0.26,含水量 t‘,=18.O%,粘聚力C=0.03 MPa,内摩擦角0=5,膨 胀角 f=0. [(or1一or2) +( 1一or3) +(or 一 ) ]/2 表2不同直径最大Von Mises应力比较分析 Von Mises应力/kN・m 荷载条件:最不利荷载,即仅施加土体的自重. 2.2边界条件 项目 直径为1.0 m 直径为1.5 m 直径为2.0 m 最大 最小 最大 最小 最大 最小 设土体表面为自由面;四个侧面为约束水平方 向的位移,允许有竖向的位移和不同方向的转动;波 纹管与周围的冻土以面与面的接触方式进行处理. 涵洞下冻土的上限变化沿涵洞轴线呈“拱”的 形式 ],发生冻胀时,涵洞进出口的冻胀翘起变形比 路中的要大,这样,在涵洞的两端,相应的产生一定 的变形(位移),同时在涵身产生一定的拉、压应力. 从这个角度考虑冻胀的影响,即在实体模型的底部 施加位移边界条件,在涵洞轴向洞口点和自两端洞 口向内2 m处取2点 ],之间按线性变化,以最不利 的情况即涵身不发生冻胀,两端产生不同程度的冻 胀量施加位移边界. 分析可知:金属波纹管最大Von Mises应力集 中在管轴向端部,不同直径的波纹管和普通钢管最 大Von Mises应力相差不大. 通过波纹管与普通钢圆管的对比分析,波纹管 具有明显的轴向补偿位移的作用,其他方面与钢管 相差不大.钢质波纹管涵管壁受力与我国的双曲拱 桥受力相似,波纹在一定范围内可以改变力的方向, 但在研究荷载对涵管的压力时并不作为设计依据, 涵管用来抵抗外力的唯一方式就是钢板厚度.采用 等厚度钢管代替波纹管进行受力分析是可行的. 3 多年冻土地区波纹管涵洞的冻胀分 析 3.1 波纹管涵洞实体的网格划分 2波纹管.冻土相互作用模型 维普资讯 http://www.cqvip.com
62 重庆交通学院学报 第26卷 波纹管和土体均采用SOLID45的实体单元…。 波纹管属于金属材料,表现出良好的弹性性质,符合 虎克定律.即应力和应变呈线性变化;波纹管.土3D 有限元模型采用面一面的接触,土体采用弹塑性模型 即D—P模型.网格划分如图1,精度满足要求. 图1 波纹管涵洞网格划分模型 3.2波纹管涵洞的变形及应力分析 3.2.1底部换填厚度变化对波纹管涵洞的影响分析 对金属波纹管涵洞在壁厚为3ⅡⅡn,上部填土厚 度0.6 m,下部换填厚度变化即0.3 m、0.6 m、1.0 m 时进行涵管变形和应力分析. 1)位移分析 通过对底面两端冻胀量不同时管涵顶面和底面 竖向位移变化情况(图2~图5)分析可知: ①管涵顶面竖向位移呈“V”字形变化,且随着 冻胀量的增加,两端翘起量有增加的趋势.管涵 4.O0E—02 。 澄 舀2.OOE--02 。 : ::: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 l0 ll 轴向节点号 图2换填0.6 nl涵管顶面位移 x-・ .一 卜-.・叶 _x 6.OOE—02 澄 ._ rt●★★‘ ‘● 世3.oog--o2 一-一一一一一一一-一 一. .-—一 l 2:l 4 5 6 7 8 9 1o ll 轴向节点号 图3换填0.6 nl涵管底面位移 l 2:l-1 5 6 7 H 9 lo II 轴向节点号 图4冻胀量15 cnl换填厚度变化涵管变形 2 3—1 5 6 7 8 9 lo 轴向节点吁 图5冻胀量1 cnl换填厚度变化涵管变形 底面竖向位移当底面两端冻胀量较小时,两端变形 大于中间,表明波纹管本身是柔性体,在上部填土压 力作用下易产生向下的变形,随着两端施加的竖向 位移逐渐增大,四周围土体对涵管的相互作用,使涵 管向上拱起,呈倒“V”形.换填厚度越小,顶面和底 面竖向位移变化幅度越大. ②管在上部填土压力,下部冻胀量和土侧压力 的综合作用下,涵管变形量随冻胀量的增加而增加. ③涵管在底面两端产生不同的冻胀量时,换填 厚度越大涵管的变形越小,当冻胀量为15 cm时,换 填厚度为0.3 m,涵管的最大冻胀量为5.21 em,超 过允许变形量. 2)应力分析 对于不同换填厚度在不同冻胀量下进行应力分 析,分析结果如表3. 表3不同换填厚度在不同冻胀量时最大应力/MPa 、 \ 1 cm 3 cm 9 cm 15 cm 抉丝厘度=== 0.3 m 92.16 l16.05 147.8 l86.42 0.6 m 79.635 99.542 l29.55 l46.76 通过分析可知,相同换填厚度的涵管,在底面产 生不同的冻胀量时,涵管的应力随冻胀量的增加而 维普资讯 http://www.cqvip.com
第1期 石桂梅等:多年冻土地区无基波纹管涵洞冻胀分析 63 增大.当换填厚度为0.3 m的涵管,在冻胀量为l5 cm时,最大应力为186.42 MPa,超过Q235钢的容 许应力.从刚度和强度两个角度分析结果表明,换填 厚度为o.6 m和1.0 m的涵管均能满足要求. 根据上面的分析可知:对于土质相似的情况下 建议在管涵直径为1.0 m,上部填土厚度0.6 m,管 壁厚为3 mm的情况下,底面最小换填厚度偏安全 的采用0.6 m.若换填厚度增大,相应可以减小涵管 本身的变形,但是将增大费用. 3.2.2 管壁厚度变化对波纹管涵洞的影响分析 其它参数不变,改变壁厚,分析涵管变形和应力 变化情况. 1)位移分析 涵管在不同冻胀量和壁厚下的变化情况如图6 ~图9,不同壁厚下,涵管底面位移和顶面位移变化 的趋势相似,但变化的幅度不同,由于本身是柔性 体,在外荷载作用下易发生变形,壁厚越薄,变形的 幅度越大,壁厚增大,变形的幅度相应减小,线性趋 于平滑.冻胀量为15 cm,壁厚为2 mm的涵管的最 大变形量为5.11 cm,超过允许变形量;壁厚为2.7 mm和3 mm时涵管的变形量均能满足要求. ——— 托OflI 一()2 .。。 ▲▲ ● ● ● -卜●卜● -●-●● 垡4(}(1F一02 -1.一●H●_.卜●_.-.●H● L▲. .▲一 I 2:{ I 6 8 9 I()_】 轴向 钳^ 图6壁厚为2 mm涵管底面位移 【()ol’一()2 \. 警2【)(1l 一() Il l 6 7 H"lo il 蛐向竹・‘^ 图7壁厚为2 mm涵管顶面位移 2)应力分析 表4为不同壁厚在不同冻胀量下波纹管涵洞的 最大应力,通过数据可知,相同壁厚的涵管.在底面 产生不同的冻胀量时,随着冻胀量的增加,涵管最大 应力不断增大,壁厚越薄,涵管应力相对越大,壁厚 为2 mm的涵管,在冻胀量为15 cm时,其最大应力 值超过Q235钢的容许应力.壁厚为2.7 Inl/1和壁厚 为3.0 mm的涵管应力均满足要求. 】40E一0 E 墨 茁 蔓7 O01i一0 l :{ 7 9 l【 轴¨n 图8冻胀量1 12111壁厚变化涵管变形 lIJ 0 八 —--●一 ‘” ——■ 一 ‘Iu 7m 缸 窖 —1卜 :{_ 墨2 IH 02 ●一.r 1.-● 图9冻胀量15 12111壁厚变化涵管变形 表4壁厚变化时不同冻胀量最大应力/MPa \ 1 3 9 15 壁 里里 2.O 106. 138.28 177.72 2oo.63 2.7 86.343 108.26 140.83 156.75 3.O 79.635 99.542 129.55 146.76 以上对多年冻土地区所选的结构形式从刚度和 强度两个角度进行比较分析,壁厚为2.7 mm和壁 厚为3.0 mm的涵管均能满足要求.为保证在多年 冻土地区波纹管涵洞在较大冻胀量下的变形和应力 要求,建议采用最小壁厚为2.7 mm的涵管. 3.2.3上部填土厚度对多年冻土地区涵管性能的 影响 上面分析采用的上部填土厚度为规范规定的最 小填土厚度,现增大上部填土厚度,即取上部填土厚 维普资讯 http://www.cqvip.com
64 重庆交通学 院 学报 第26卷 度为1.0 m,分析在多年冻土地区填土厚度增加对 涵管受力性能的影响. 参考文献: 通过分析可知,在多年冻土地区修建的涵洞,在 [1]李祝龙,章金钊.高原多年冻土地区波纹管涵应用技 上部填土厚度增加到1.0 m时,涵管的变形相对减 术研究[J].公路,2002,(2):28・31. 小,其最大应力值满足Q235钢的容许应力,所以, [2 2杨猛,任景飞・公路小孔径波纹钢管涵洞的应用试 适当的增加上部填土厚度起到减缓冻胀的作用. 验研究[R]・哈尔滨黑龙江省交通科学研究所,2003・ 娃 [3]GB 50017--2002,钢结构设计规范[s]. ’=口 [4] 13本土木施工设计算例委员会编,杨雅忱,林丕文译. 1)波纹管具有较明显的轴向补偿位移的作用, 土木结构物计算例题[M].北京:中国铁道出版社, 随着直径的减小轴向补偿位移的能力增大; 1986. 2)分析了在底面两端产生不同的冻胀量时,换 [5]崔托维奇著,张长庆,朱元林译.H.A.冻土力学[M]. 填厚度、壁厚、上部填土厚度对涵管受力性能的影 北京:科学出版社,1985. 响,换填厚度越大,壁厚越厚,冻胀量对结构的影响 [6]章金钊.高原多年冻土地区涵洞工程研究[J].公路, 越小; 2000,(2):25-28・ 3)得出了直径为I.0 m波纹管涵洞适宜的结 [7] 顾克明,苏清洪,赵嘉行・公路桥涵设计手册涵洞 构形式即:最小换填厚度O.6 m,最小壁厚2.7 mm; [M]・北京:人民交通出版社, 994・ 上部最小填土厚度o.6 m.上部填土适当增加,可 杨风膊精通aJlsy 圳_北京:清华大学出版 缓冻胀量的影响. 怔 w厶 ,. (上接第22页) 4 结 论 参考文献: 文中引入了不确定性的评判方式,同确定性的 [1] 屈文俊.既有混凝土桥梁的耐久性评估及寿命预测 评判方法相比,专家在构造判断矩阵时能更好地表 [D].成都:西南交通大学,1995. 达其意见,因此就更加能够反映桥梁的实际状态,提 [2] 中华人民共和国铁道部.铁路桥隧建筑物大维修规则 高评价结果的可信性,同时考虑专家的评判水平,引 条文说明[M].北京:中国铁道出版社,2001. [3]铁道部运基桥隧[2000]107号,铁路桥隧建筑物状态 人专家加权权重,降低评判结果的不确定性,并与群 评定标准[s]. 判理论相结合,减少了评判的主观因素,使评判更能 [4] 徐威.既有铁路混凝土桥状态评定方法研究[D].成 反映客观实际. 都:西南交通大学,2005. 实践表明文中的评定方法简便、可行,评定结果 [5] Brito J de,Braneo F A,11l0fl P.一Christensen,et a1.An 合理.由于评定结果通过总劣化度的形式量化表示, expert system for concrete bridge management[J].Ensi・ 当桥梁达同一等级时也可以通过总劣化度的大小进 neering Structures,1997,19(7):1934・1942. 行区别.总劣化度不但反映出病害的严重程度,而且 [6]Hard G.Melhem,Senaka Aturaliya.Bridge Condition Rat, 体现了数量关系,因此也就在一定程度上反映出需 ing Using na Eigenvector of Priority Settings[J].Micro- 要进行养护维修的工作量. computers in Civil Engin eering。1996,(11):2576-2587.
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