公路埋地玻璃鋼夾砂管力學(xué)行為數(shù)值分析

石華旺 尹航 魏連雨 高懷君

摘要 玻璃鋼夾砂管具有輕質(zhì)、高剛度、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在交通工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于各種不利因素的存在，對(duì)埋地玻璃鋼夾砂管現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)測(cè)試一直遇到瓶頸。隨著現(xiàn)代建模技術(shù)的不斷發(fā)展，利用ANSYS有限元力學(xué)分析程序，對(duì)埋深分別為50 cm、80 cm、100 cm的埋地管在重量為20 t、40 t、60 t卡車下的受力變形作分析，將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果加以對(duì)比。結(jié)果表明，各個(gè)工況下的測(cè)點(diǎn)誤差控制在15%以內(nèi)，驗(yàn)證模型的可行性與實(shí)用性。研究結(jié)果與方法為模擬埋地管其他力學(xué)性能和工況提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞 道路工程;玻璃鋼夾砂管;有限元模型;力學(xué)性能;工況

中圖分類號(hào) U449.8? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Abstract Glass-reinforced-plastic-mortar pipe has many advantages， such as light weight， high rigidity， long service life and so on. It has been widely used in the field of traffic engineering. However，with the existence of various unfavorable factors， the field mechanical test of buried-glass-fiber-reinforced-plastic-mortar pipe has encountered bottlenecks. With the continuous development of modern modeling technology， using ANSYS finite element analysis program of mechanics， the buried depth is respectively 50， 80 and 100 cm in the weight of the pipe deformation analysis of 20， 40， 60 t truck， the experimental and simulation results were compared. The results show that the measurement error is controlled within 15%， and the feasibility and practicability of the model are verified. The research results and methods provide the basis for simulating other mechanical properties and working conditions of buried pipes.

Key words highway engineering;glass fiber reinforced plastic mortar pipe;finite element model;mechanical properties;working condition

涵洞作為公路交通工程中的重要組成部分，可以迅速地排除路面沿線的地表水，保證路基安全[1]。目前涵洞輸水管道大都使用混凝土管涵或蓋板涵，混凝土管道由于性價(jià)比高，技術(shù)成熟，一直是公路涵洞的首選材料。但隨著混凝土管涵的普及，其問題也暴露出來：使用壽命短，耐腐蝕性差，以及頭部位側(cè)向抗剪力小從而易造成錯(cuò)口導(dǎo)致漏水。20世紀(jì)70年代，玻璃鋼夾砂管（或稱FRPM）被研發(fā)出來。作為一種新型柔性管材，它具有壽命長(zhǎng)、耐腐蝕、高剛度、等諸多優(yōu)良性能，很適合替代混凝土管應(yīng)用于公路涵洞工程[2-4]。

目前玻璃鋼夾砂管在公路涵洞領(lǐng)域中得到了廣泛的發(fā)展，但各種不利因素的存在導(dǎo)致埋地玻璃鋼夾砂管現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)測(cè)試一直無法順利進(jìn)行，同時(shí)現(xiàn)有的埋地管道力學(xué)分析模型大多不考慮土-管相互摩擦作用，以及自重的影響。本文基于ANSYS的有限元力學(xué)分析程序?qū)β竦夭Ａт搳A砂管進(jìn)行了力學(xué)分析，建立了合理的埋地玻璃鋼夾砂管力學(xué)分析模型。對(duì)于數(shù)值分析模型，考慮了管-土間、回填土與原土間復(fù)雜的相互作用，車荷載的施加形式，以及管與回填土的重度等[5-6]。

1 數(shù)值分析模型

1.1 模型的建立

利用ANSYS的有限元力學(xué)分析程序進(jìn)行模擬。管涵位置沿模型中線對(duì)稱布置。模型尺寸為 10 m×6 m×6 m（ 長(zhǎng)×高×寬） ，管道的直徑為1.5 m，壁厚為0.05 m，寬度為6 m。首先管體的厚度小于管徑，采用殼單元來模擬，土體采用SOLID單元進(jìn)行分析。回填土與原土的材料特性差異較大，將土體設(shè)置為彈性兩層體系，上層為回填土，下層為原土。管體分別與回填土、原土的接觸面采用摩擦接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，回填土與原土的接觸面采用粘結(jié)接觸。對(duì)模型整體施加垂直于路面的重力加速度（g=9.8 m/s2）。

1.2 材料屬性參數(shù)

材料屬性參數(shù)如表1所示。

1.3 車荷載的施加

對(duì)于車荷載的簡(jiǎn)化，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[7]，對(duì)于暗涵而言，當(dāng)埋深高度大于 50 cm 時(shí)，不用考慮汽車的沖擊作用力，及沖擊系數(shù)可以忽略。所以在利用軟件進(jìn)行實(shí)際模擬過程中可以將汽車載荷簡(jiǎn)化為靜集中載荷。在實(shí)際情況下，汽車與路面之間的作用往往是以多輪形式接觸[8]。本文將路面與輪胎的接觸面簡(jiǎn)化為矩形（大小為300 mm×250 mm），設(shè)置了8個(gè)接觸面進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)汽車通過路面兩側(cè)時(shí)，其荷載壓力集中在管側(cè)管頂位置，管涵易產(chǎn)生側(cè)向壓力破壞。因此將汽車荷載沿模型中線偏一側(cè)布置。

1.4 邊界條件

數(shù)值模型建立完以后，進(jìn)行邊界條件的選定。不同的邊界條件有不同的模擬結(jié)果，可以通過將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果加以對(duì)比，然后確定更接近實(shí)際的邊界條件。對(duì)于埋地管，邊界條件有3種：

1）矩形土體兩側(cè)立面施加水平位移約束（Horizontal displacement constraint），在矩形頂面上施加車荷載，底面施加全約束，其余面自由;

2） 頂面施加車荷載，底面施加全約束，其余面自由;

3）矩形土體前后向立面施加水平位移約束（Horizontal displacement constraint），土體兩側(cè)立面施加水平位移約束，底面施加全約束，頂面施加車荷載。

2 室外試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該工程依托省道塞長(zhǎng)線塞罕壩至棋盤山段大修工程，項(xiàng)目全長(zhǎng)為 33.8 km，全線為二級(jí)公路。公路采用直徑1.5 m，壁厚5 cm，管長(zhǎng)6 m的玻璃鋼夾砂管作為埋地管涵。本次試驗(yàn)采用玻璃鋼夾砂管涵洞路段，選取管一側(cè)為測(cè)試斷面，通過粘貼應(yīng)變片來測(cè)試不同工況下的管涵各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化規(guī)律。本次實(shí)驗(yàn)涵頂填土高度分別為50、80、100 cm，采用分層填筑，然后用壓路機(jī)進(jìn)行分層碾壓以使每層填土達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度。三軸卡車重量分別為20、40、60 t，卡車的前后車輪中軸處于管軸線正上方，卡車處于路面中線偏一側(cè)位置。中后軸中心作用在管頂上，位置如圖1所示。

該埋地管測(cè)試的工況情形見表2。

2.2 應(yīng)變片的布置

首先保證回填土與管頂齊平，然后在管中間內(nèi)壁按照“T”型粘貼環(huán)向及軸向應(yīng)變片，本次試驗(yàn)采用BE120-3AA 型應(yīng)變片，粘貼位置如圖2所示。

2.3 應(yīng)變采樣儀的布置

首先進(jìn)行位移計(jì)和應(yīng)變片的粘貼，并將溫度補(bǔ)償片接好。同時(shí)保證連接線編號(hào)、應(yīng)變片編號(hào)與通道號(hào)一一對(duì)應(yīng)。連接線的一端接在TST3826靜態(tài)應(yīng)變采樣儀上，啟動(dòng)程序進(jìn)行調(diào)試，待調(diào)試準(zhǔn)確無誤后，將數(shù)據(jù)歸零進(jìn)行采集。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程

應(yīng)變測(cè)試步驟為：

1）程序初始化，檢查應(yīng)變片與管道的連接情況，并確保連接線與儀器連接正常，進(jìn)行調(diào)試;

2）測(cè)試初始值;

3）施加汽車荷載;

4）測(cè)試各工況下的應(yīng)變值;

5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理。整理結(jié)果如圖3和圖4。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3、4分析可知：在不同工況下，最大軸向應(yīng)變值處于測(cè)試點(diǎn)1，最大環(huán)向應(yīng)變值處于測(cè)試點(diǎn)2。對(duì)稱測(cè)試點(diǎn)應(yīng)變值基本呈對(duì)稱分布，個(gè)別測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變值產(chǎn)生突變現(xiàn)象。各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變值隨著填土高度的增加逐漸減小，及汽車荷載對(duì)埋地管的影響逐漸減小[9]。造成這種現(xiàn)象可能的原因是，隨著埋土深度的增加，土體之間產(chǎn)生了不均勻位移或相對(duì)位移，改變了荷載擴(kuò)散角度，土體對(duì)荷載的擴(kuò)散效應(yīng)明顯;同時(shí)形成了支撐拱腳，管道上部土體形成土拱效應(yīng)，與埋地管共同承擔(dān)汽車荷載的作用力[10-11]。

3 有限元分析

首先為了分析前面所述的3種不同的邊界條件，選擇工況1（埋土深度為50 cm，汽車重量為20 t），分別將3種不同的邊界條件施加在數(shù)值分析模型上模擬出測(cè)試點(diǎn)的軸向應(yīng)變結(jié)果。建立數(shù)值模型如圖5所示。具體操作是將ANSYS的結(jié)果以“.xlsx”的形式輸出到文件中，分別找到8個(gè)測(cè)試點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)坐標(biāo)，通過坐標(biāo)找到相應(yīng)的應(yīng)變值，再與試驗(yàn)結(jié)果加以對(duì)比，如表3所示。

分析表3可看出：對(duì)于邊界條件2），大部分測(cè)試點(diǎn)的模擬值與試驗(yàn)值偏差太大，最大誤差高達(dá)89.4%，平均誤差達(dá)36.41%;邊界條件3）大部分測(cè)試點(diǎn)的模擬值與試驗(yàn)值偏差也較大，最大誤差為28.3%，平均誤差為18.61%，因此邊界條件2）與3）不滿足埋地管的真實(shí)情況，不適合作為邊界條件應(yīng)用到分析中。相比之下，邊界條件1）的模擬值與試驗(yàn)值接近，最大誤差為14%，最小誤差僅為3%，平均誤差為10%，所有測(cè)點(diǎn)的誤差控制在了15%以內(nèi)，因此驗(yàn)證了邊界條件1）的適用性。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模型的可行性，依據(jù)各個(gè)工況下所測(cè)的試驗(yàn)值，將模擬值與試驗(yàn)值加以對(duì)比[12]。分析結(jié)果如圖6所示。利用ANSYS分析各個(gè)工況下試驗(yàn)點(diǎn)的軸向應(yīng)變值，圖中有個(gè)別測(cè)點(diǎn)模擬值與試驗(yàn)值差異較大，可能是試驗(yàn)設(shè)備和試件本身造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差，包括：各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片與管壁粘貼緊密程度不同，測(cè)點(diǎn)位置與實(shí)際位置有所偏差，應(yīng)變儀的響應(yīng)靈敏度較低等因素;另一方面是在實(shí)際情況下，埋地管的受力情況往往復(fù)雜多樣。在建立數(shù)值模型的過程中，需要分析和簡(jiǎn)化模型。在理論基礎(chǔ)上提出假設(shè)，忽略一些不可調(diào)控以及影響較小的因素[13]?？傮w上分析，模擬應(yīng)變值與試驗(yàn)值誤差普遍較小，每種工況下各個(gè)測(cè)點(diǎn)模擬值與試驗(yàn)值的誤差控制在了15%以內(nèi)，且其變化規(guī)律與試驗(yàn)值的變化規(guī)律基本相似。

4 結(jié)論

本文利用ANSYS的有限元力學(xué)分析程序，分別對(duì)埋深分別為50 cm、80 cm、100 cm的玻璃夾砂管，在重量為20 t、40 t、60 t卡車下的受力變形作分析，得到以下結(jié)論：

1）利用ANSYS建立的數(shù)值模型，在邊界條件1）下分析出的應(yīng)變結(jié)果與實(shí)際工程比較接近。

2）利用ANSYS有限元力學(xué)分析程序，將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比，各個(gè)工況下的測(cè)點(diǎn)誤差基本控制在15%以內(nèi)。利用ANSYS建立的數(shù)值模型，可以準(zhǔn)確地模擬出管-土間、土與土間復(fù)雜的相互作用以及汽車荷載作用下埋地管的受力情況。說明利用有限元力學(xué)分析程序?qū)ΣＡA砂管涵在車荷載下的力學(xué)性能研究分析是可行的。

3）根據(jù)各個(gè)工況的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析可知，在不同汽車荷載作用下，管道的關(guān)鍵受力部位集中在管頂以及環(huán)向45°處。

4）當(dāng)玻璃鋼夾砂管在涵頂度埋土高度大于0.8 m時(shí)，土拱作用越來越明顯，地面汽車荷載對(duì)埋地管的影響較小。

5）下一步的研究方向集中在利用ANSYS有限元力學(xué)分析程序?qū)β竦毓芎谄诤奢d作用下的力學(xué)分析以及壽命估計(jì)。進(jìn)一步優(yōu)化管道，實(shí)現(xiàn)玻璃夾砂管道在交通工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯 楊 屹]