塑料檢查井收口錐體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析

王侃文,楊佳春,何旅洋

(1.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200032;2.同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所,上海市 200092)

塑料檢查井收口錐體結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析

王侃文1,楊佳春1,何旅洋2

(1.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200032;2.同濟(jì)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)研究所,上海市 200092)

利用通用有限元軟件Abaqus對(duì)塑料檢查井收口錐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,通過對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)的觀察分析,得出收口錐體下端過渡區(qū)域存在應(yīng)力集中現(xiàn)象的結(jié)論,為塑料檢查井收口錐體的外形合理優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

塑料檢查井;收口錐體;有限元計(jì)算

0 引言

傳統(tǒng)檢查井為磚砌結(jié)構(gòu),近幾年,隨著化工建材管道(如高密度聚乙烯管HDPE管)大量用于城市排水系統(tǒng)工程建設(shè),這類管道與磚砌或混凝土檢查井之間的連接處因變形不協(xié)調(diào)而發(fā)生滲漏的問題尤顯突出。在當(dāng)前構(gòu)建“節(jié)約型、環(huán)保型”社會(huì)的形勢(shì)下,傳統(tǒng)檢查井已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展要求。為了解決這一問題,國(guó)內(nèi)一些企業(yè)研制生產(chǎn)塑料檢查井代替磚砌或混凝土檢查井,并已進(jìn)入工程應(yīng)用。

建設(shè)部2004年(218)號(hào)文件公布,明確禁止使用黏土實(shí)心磚,“十一·五”技術(shù)公告要求塑料管道應(yīng)優(yōu)先采用塑料檢查井,因此,塑料檢查井以其綠色、環(huán)保、節(jié)能、節(jié)地等諸多優(yōu)勢(shì)成為替代磚砌檢查井的主要產(chǎn)品之一。

本次研究的收口錐體是塑料檢查井的一部分,主要用于連接上部井筒和下部井室,見圖1。

圖1 分離式收口檢查井示意圖

本文通過對(duì)塑料檢查井收口錐體的有限元計(jì)算分析,分析其主要受力特點(diǎn),為塑料檢查井收口錐體的結(jié)構(gòu)分析提供實(shí)例,為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步健全完善提供支撐,促進(jìn)塑料檢查井在行業(yè)內(nèi)的普及應(yīng)用。

1 塑料(HDPE)檢查井收口錐體有限元計(jì)算

1.1 幾何建模

有限元仿真分析的研究對(duì)象為TJ系列排水塑料檢查井,并依據(jù)“TJ系列排水塑料檢查井——上海市建筑產(chǎn)品推薦性應(yīng)用圖集212”中收口錐體尺寸進(jìn)行3D建模。收口錐體為對(duì)稱結(jié)構(gòu),因此在建模過程中只需建立一般模型即可。圖2為收口錐體整體模型。

圖2 收口錐體整體模型

1.2 網(wǎng)格劃分

將收口錐體3D模型導(dǎo)入到Hypermesh中,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用四面體單元,單元尺寸為2 mm,局部有倒角或大尺度過渡段單元進(jìn)行加密,最小單元尺寸為0.2 mm,整個(gè)模型共劃分5 994 303個(gè)單元,1 277 117個(gè)節(jié)點(diǎn),有限元模型如圖3所示。

1.3 邊界條件及外加荷載［1-3］

采用Abaqus為有限元計(jì)算軟件,采用線彈性材料,楊氏模量為205 MPa,泊松比為0.29。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

計(jì)算中,固定收口錐體下端的自由度在收口錐體上端施加軸向壓力,軸向壓力計(jì)算公式如下:

式中:Fd為回填土下曳力設(shè)計(jì)值,N;Fsv為結(jié)構(gòu)自重,N;Aup為井筒的上表面面積,mm2。

回填土的下拽力為2.96 kN,結(jié)構(gòu)自重0.65 kN。在模型頂部施加軸向壓力,如圖4。

圖4 軸向壓力示意圖一

結(jié)構(gòu)受到土壓力18.18 kN,均布施加在結(jié)構(gòu)豎向投影面積上,如圖5。

圖5 軸向壓力示意圖二

結(jié)構(gòu)受到周圍土體的側(cè)向土壓力,根據(jù)高度不同,分為井筒底的側(cè)向主動(dòng)土壓力和井室頂部的側(cè)向主動(dòng)土壓力,如圖6。

圖6 側(cè)向土壓力示意圖

由于模型為二分之一對(duì)稱結(jié)構(gòu),所以采用對(duì)稱模型,在模型的邊界處施加對(duì)稱約束,如圖7所示。

圖7 對(duì)稱模型示意圖

1.4 有限元分析

有限元分析劃分單元類型為C3D4單元,為三維四面體四節(jié)點(diǎn)實(shí)體線性單元,其應(yīng)力位移的行為都是基于拉格朗日或材料描述的,分析中,與單元關(guān)聯(lián)的材料保持與單元關(guān)聯(lián),并且材料不能從單元中流出和越過單元的邊界［4］。計(jì)算結(jié)果見圖8～圖11。表1為有限元計(jì)算結(jié)果分析表。

圖8 von Mises應(yīng)力云圖

圖9 Z方向應(yīng)力云圖

圖10 合位移云圖

圖11 應(yīng)變?cè)茍D

表1 為限元計(jì)算結(jié)果分析表

2 結(jié)論

從塑料檢查井收口錐體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算結(jié)果中可以看出,應(yīng)力最大位置發(fā)生在應(yīng)力集中點(diǎn),最大應(yīng)力為15.74 MPa,最大應(yīng)力與最大應(yīng)變發(fā)生位置一致,最大應(yīng)變?yōu)?.08 092,最大位移發(fā)生在收口錐體上端部,最大值為22.78 mm,相比于整體尺寸為一個(gè)小量。該收口錐體結(jié)構(gòu)整體剛度較大,但存在局部應(yīng)力集中的情況,最大應(yīng)力發(fā)生在收口錐體下端過渡區(qū)域,建議在今后的工程應(yīng)用中將此區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。

［1］ GB 50068—2001,建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ 趙遠(yuǎn)清.高密度聚乙烯檢查井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究 ［J］.特種結(jié)構(gòu)，2008，2(1):69-83.

［3］ DBJ53/T-25—2010,塑料排水檢查井應(yīng)用技術(shù)規(guī)程 ［S］.

［4］ 李黎明. ANSYS有限元分析實(shí)用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

TU992

A

1009-7716(2015)03-0106-03

2014-12-18

王侃文(1977-),男,浙江上虞人,高級(jí)工程師,從事市政工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。