大型輸水箱涵不同施工工藝應力應變?nèi)S分析

杜志宇

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003）

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大型輸水箱涵不同施工工藝應力應變?nèi)S分析

杜志宇

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽110003）

摘要：為優(yōu)化施工，對大型輸水箱涵進行施工鋼筋混凝土箱涵變形情況三維數(shù)值仿真計算，分析工況的合理性，并為優(yōu)化施工工序提供建議。

關鍵詞：箱涵；應力；三維分析

1　施工工藝設定

輸水箱涵的底板厚度55～60cm，施工過程中采用階梯式澆筑方式。輸水箱涵的兩側(cè)墻體厚度為45～50cm，在施工過程中擬采用分層布料澆筑，分層厚度設計為30cm。輸水箱涵的頂板厚度為50cm，采用分層階梯澆筑方式，分層厚度設計為30cm［1］。輸水箱涵的內(nèi)模與頂模均采用鋼模臺車，輸水箱涵的八字擬采用定型模板，而箱涵的其他部分則采用組裝大模板。

2　三維分析前期工作

2.1 計算程序原理

本研究主要采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件［2］。FLAC3D基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，它可以模擬巖土或其他材料的三維力學特性［3］。FLAC3D中將計算區(qū)域劃分為若干四面體單元，每個單元在給定的邊界條件下遵循指定的線性或非線性本構(gòu)關系。如果單元應力使得材料屈服或產(chǎn)生塑性流動，則單元網(wǎng)格可以隨著材料的變形而變形，這就是所謂的拉格朗日算法［4］。這種算法非常適合模擬大變形問題。FLAC3D采用了顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程，并應用了混合單元離散模型，可以準確地模擬材料的屈服、塑性流動、軟化直至大變形，尤其在材料的彈塑性分析、大變形分析以及模擬施工過程等領域有其獨到的優(yōu)點［5］。

2.2 模型建立

箱涵澆筑過程中鋼筋混凝土由于自重內(nèi)力產(chǎn)生的位移及變形情況研究較少，參考已有研究結(jié)果，結(jié)合上述研究內(nèi)容要求，基于有壓輸水鋼筋混凝土箱涵設計圖，建立其三維數(shù)值分析模型，如圖1所示。

根據(jù)分析需要，模型分為兩層澆筑法與三層澆筑法兩種，如圖1所示［6］。模型剖分后，包含187200個單元218014個節(jié)點。水平寬度方向為χ軸，豎直方向為z軸，箱涵長度方向為y軸［7］。根據(jù)階段澆筑方法確定邊界條件。

2.2.1 兩層澆筑法

（1）底板澆筑時，水平寬度方向為χ方向約束，長度方向采用兩段y方向約束；底板面采用z方向約束，以模擬模板約束作用；

（2）澆筑側(cè)墻及頂板時，根據(jù)施工工法要求，除底板底面z方向約束及長度方向y向約束外，去除底板所有約束，以模擬模板拆除的影響。同時施加寬度向側(cè)壁面χ、長度側(cè)壁面y向約束，頂板底面z向約束，頂板長度側(cè)壁面y向約束，以模擬模板約束作用；

（3）除底板底面z方向及長度向側(cè)壁面y向約束外，去除所有約束，以模擬模板拆除的影響。

2.2.2 三層澆筑法

（1）底板澆筑時，水平寬度方向為χ方向約束，長度方向采用兩段y方向約束；底板面采用z方向約束，以模擬模板約束作用；

（2）澆筑側(cè)墻，根據(jù)施工工法要求，除底板底面z方向約束外，去除底板所有約束，以模擬模板拆除的影響。同時施加寬度側(cè)壁面χ、長度側(cè)壁面y向約束，頂板底面z向約束，頂板長度側(cè)壁面y向約束，以模擬模板約束作用；

（3）澆筑頂板，根據(jù)施工工法要求，除底板底面z方向約束及長度方向y向約束外，去除底板及側(cè)墻所有約束，以模擬模板拆除的影響。同時施加頂板底面z向約束，頂板長度側(cè)壁面y向約束，以模擬模板約束作用；

（4）除底板底面z方向及長度向側(cè)壁面y向約束外，去除所有約束，以模擬模板拆除的影響。

為便于后續(xù)分析，在模型中設置了25個監(jiān)測點，監(jiān)測應力及位移情況，監(jiān)測點具體位置如圖2所示［8］。

圖2　監(jiān)測點布置情況

2.3 物理力學參數(shù)

箱涵混凝土特性計算參數(shù)如表1所示，C30混凝土強度如表2所示。

表1　混凝土特性計算參數(shù)

表2　C30混凝土強度

混凝土彈性模量：

數(shù)值計算中，根據(jù)拆模時間不同（即齡期不同），選擇對應的混凝土參數(shù)。

3　對比分析

對不同工法及鋼筋混凝土齡期情況下澆筑及模板拆除工況時，箱涵應力及變形情況進行了數(shù)值模擬分析，結(jié)合不同監(jiān)測點應力及位移情況，對兩層澆筑與三層澆筑法的應力及變形進行對比分析。

3.1應力對比

施工過程采用不同澆筑方法（兩層澆筑法、三層澆筑法）時，圖2中各監(jiān)測點最大主應力分布如圖3、圖4所示。

圖3　兩層澆筑監(jiān)測點最大主應力（單位：kPa）

圖4　三層澆筑監(jiān)測點最大主應力（單位：kPa）

由圖3中的數(shù)值結(jié)果可以看出，采用兩層澆筑方式在拆除模板后各監(jiān)測點的最大主應力并無明顯區(qū)別，不同澆筑方法對于最大主應力并無明顯影響。由圖4可知，三層澆筑方法也顯示出類似的結(jié)論。

采用不同澆筑方法時，不同齡期各監(jiān)測點的最小主應力分布如圖5、圖6所示。

圖5　兩層澆筑監(jiān)測點最小主應力（單位：kPa）

圖6　三層澆筑監(jiān)測點最小主應力（單位：kPa）

由圖5可知，兩層澆筑方法在不同齡期拆除模板后各監(jiān)測點的最小主應力量值亦基本相同，即齡期4、5、6、7天澆筑方法對于箱涵最小主應力的影響較小。同時，由圖6可知，三層澆筑方法時各監(jiān)測點在不同齡期的最小主應力量值亦基本相同，揭示了與兩層澆筑法相同現(xiàn)象。

3.2 位移對比

兩層澆筑法及三層澆筑法在不同齡期時拆除模板各監(jiān)測點位移如圖7、圖8所示。

圖7　兩層澆筑不同齡期監(jiān)測點位移（單位：10-2mm）

圖8　層澆筑不同齡期監(jiān)測點位移（單位：10-2mm）

由圖8可知，無論是兩層澆筑法抑或三層澆筑法，齡期越長，各個監(jiān)測點的位移值越小，即隨著齡期的增加，混凝土彈性模量的增加，拆除模板后所對應的位移值越小，箱涵體變形越小。

兩層、三層澆筑法對應不同齡期時拆除模板各監(jiān)測點的位移情況如圖9～圖12所示。

圖9　齡期4天時監(jiān)測點位移（單位：10-2mm）

圖10　齡期5天時監(jiān)測點位移（單位：10-2mm）

圖11　齡期6天時監(jiān)測點位移（單位：10-2mm）

由圖可知，相同齡期不同澆筑方法對于箱體的變形量具有一定的影響，一般規(guī)律為三層澆筑法對應各監(jiān)測點位移基本低于兩層澆筑法所對應位移值，即自箱涵體穩(wěn)定性角度考慮，三層澆筑法更有利于箱涵的穩(wěn)定。

對箱涵所有剖分單元及節(jié)點的最大主應力、最小主應力及豎直位移進行遍歷查詢，得到不同工況下箱涵單元主應力（極值）及豎直位移值（極值）情況如表3所示。

圖12　齡期7天時監(jiān)測點位移（單位：10-2mm）

表3　不同工況下主應力及豎直位移值

由表3可知，不同工況時拆除頂板模板后，最大主應力及最小主應力分布情況基本相同，即整個箱涵中最大主應力極值為380kPa左右，最小主應力極值為210kPa左右（張拉應力）。但是齡期長短對于豎直位移具有一定的影響，由表2～3可知，齡期越長，豎直位移極值越小，即對于箱涵結(jié)構(gòu)而言，越有利于穩(wěn)定性。

4　結(jié)語

長距離大流量混凝土輸水箱涵斷面尺寸大，壁厚小，混凝土結(jié)構(gòu)受力條件復雜，極易產(chǎn)生各種裂縫，施工過程中極易出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。為此采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立三維數(shù)值分析模型，模擬長距離大流量混凝土輸水箱涵不同施工工況的應力分布及位移，進行數(shù)值檢測和分析對比，研究不同混凝土澆筑模式的優(yōu)劣，對分析澆筑工藝的合理性，并提出推薦性意見，優(yōu)化施工方案具有重要作用。

參考文獻

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作者簡介：杜志宇（1987年—），男，助理工程師。

收稿日期：2015-09-28

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.020

中圖分類號：TV51

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0053-04