裝配式鋼塑復(fù)合綜合管廊結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真分析

吳佳馨, 龔俊杰*, 魏春良, 高建和, 韋源源

(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225127; 2. 昆明普爾頓環(huán)?？萍脊煞萦邢薰? 昆明 650031)

綜合管廊即城市市政地下管線綜合體, 是集中收納各種市政管道、管線的地下基礎(chǔ)設(shè)施．多年來(lái), 國(guó)外學(xué)者主要對(duì)管廊施工影響區(qū)的承載能力損失、環(huán)境參數(shù)對(duì)管廊的影響等展開研究[1-3], 同時(shí)考慮新建管廊與已有板樁之間的相互作用[4], 而對(duì)于結(jié)構(gòu)方面則側(cè)重于多用途管廊布局和地震荷載下管廊的受力性能分析與優(yōu)化[5-6]．上世紀(jì)末, 綜合管廊在我國(guó)逐步推廣, 推動(dòng)了管廊結(jié)構(gòu)優(yōu)化和受力分析的進(jìn)一步發(fā)展．張智賢[7]通過(guò)四元集成法建立綜合管廊交叉節(jié)點(diǎn)模型,并利用有限元法解決了交叉節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題; 姚潤(rùn)樾[8]開展三元乙丙橡膠材料的性能試驗(yàn),通過(guò)建立二維有限元模型,驗(yàn)證了橡膠密封墊的使用壽命, 提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方向．目前此類研究主要集中在混凝土或鋼架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、理論及仿真分析,試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)較少．本文提出一種新型裝配式鋼塑復(fù)合綜合管廊結(jié)構(gòu),擬對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件SMC平板進(jìn)行理論分析和力學(xué)性能測(cè)試, 以期為綜合管廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究提供新方法, 為裝配式鋼塑復(fù)合綜合管廊的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1 SMC板結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

選取SMC與Q345鋼作為綜合管廊的結(jié)構(gòu)材料．SMC材料的力學(xué)性能參數(shù)為: 拉伸彈性模量E=7.47 GPa, 抗拉強(qiáng)度88.52 MPa, 泊松比0.26, 彎曲彈性模量10.50 GPa, 抗彎強(qiáng)度158.62 MPa, 密度1 900 kg·m-3．SMC結(jié)構(gòu)為短切玻璃纖維增強(qiáng), 在屈服應(yīng)力范圍內(nèi), 可視為各向同性的線彈性變形[9]．綜合管廊兩個(gè)側(cè)面由1.0 m×1.0 m SMC板拼接而成, 上面由1.0 m×1.0 m和0.5 m×0.5 m SMC板拼接而成, 用鋼結(jié)構(gòu)拼裝成一節(jié)5.0 m×2.5 m×3.0 m的矩形管廊．本文采用柔性連接將10節(jié)矩形管廊裝配成50 m的管廊試驗(yàn)段, 如圖1所示．

整個(gè)管廊所受荷載均作用在SMC板, 受力情況如圖2所示．根據(jù)彈性力學(xué)理論[10], 計(jì)算SMC平板的最大應(yīng)力和最大變形．考慮實(shí)際填埋情況, 上面和側(cè)面SMC平板分別按埋深2 和5 m計(jì)算．上面SMC板的最大應(yīng)力σmax=b2βqt-2, 最大變形ymax=b4αq/(Et3), 其中b為SMC平板的邊長(zhǎng),β為應(yīng)力系數(shù),q為均布?jí)毫?t為板厚,α為變形系數(shù),E為彈性模量; 側(cè)板的最大應(yīng)力σmax=b2(βq1+β1q2+β2q3)t-2, 最大變形ymax=b4(αq1+α1q2+α2q3)/(Et3), 其中q1為側(cè)板的均布?jí)毫?q2為靜水壓力,q3為下曳力,βi為應(yīng)力系數(shù),αi為變形系數(shù),i=1, 2．本文兩種SMC平板的邊長(zhǎng)b分別為978和478 mm,t=10 mm;q=0.038 MPa,q1=0.006 2 MPa,q2=0.005 4 MPa,q3=0.025 3 MPa;β=0.287 4,β1=0.160 0,β2=0.287 0;α=0.044 4,α1=0.022 0,α2=0.044 0． 計(jì)算結(jié)果如表1所示．由表1可知, SMC平板的最大應(yīng)力和變形均位于管廊上面1.0 m×1.0 m平板的中心, 最大應(yīng)力值與材料的抗彎強(qiáng)度相差較小, 表明應(yīng)力值和最大變形較大, 須對(duì)平板進(jìn)行形狀優(yōu)化．

表1 SMC平板計(jì)算結(jié)果

2 SMC平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

運(yùn)用ANSYS有限元仿真軟件, 以垂直于平板中心線為圓弧的圓心運(yùn)動(dòng)軌跡, 將平板優(yōu)化成等強(qiáng)度弧形板．對(duì)1.0 m×1.0 m和0.5 m×0.5 m的SMC平板進(jìn)行優(yōu)化, 利用SolidWorks與ANSYS Workbench進(jìn)行參數(shù)化建模, 設(shè)定圓弧半徑、拱起高度為輸入?yún)?shù),最大等效應(yīng)力、最大變形、模型質(zhì)量為輸出參數(shù), 要求模型質(zhì)量的變化在±5%以內(nèi), 最大等效應(yīng)力和最大變形為最小值．給定輸入?yún)?shù)初值, 上限為初值的1.1倍, 下限為初值的0.9倍．優(yōu)化后1.0 m×1.0 m和0.5 m×0.5 m的SMC平板分別得到9個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn), 計(jì)算等效應(yīng)力和變形, 將最大等效應(yīng)力和變形的重要程度調(diào)高并設(shè)定其值為最小, 確定最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)．表2為兩種SMC弧形板設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)值, 其中1.0 m×1.0 m和0.5 m×0.5 m SMC平板最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)的圓弧半徑分別為1 583.48和408.85 mm, 拱起高度分別為64.00和64.21 mm, 最大應(yīng)力分別為37.01和8.41 mm, 最大變形分別為7.07和0.42 mm, 以此建立SMC弧形板模型．

圖3為優(yōu)化后SMC弧形板的等效應(yīng)力和變形云圖．由圖3可知, 1.0 m×1.0 m弧形板最大應(yīng)力、最大變形分別下降了64.57%、96.58%, 模型質(zhì)量增加了0.186 kg; 0.5 m×0.5 m的最大應(yīng)力、最大變形分別下降了66.29%、96.44%, 模型質(zhì)量增加了0.176 kg．由此得出, 在SMC板質(zhì)量變化較小的情況下,弧形板的剛度和強(qiáng)度明顯提高．

表2 設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)值

3 綜合管廊仿真分析

利用優(yōu)化后的SMC弧形板建立管廊三維模型, 對(duì)管廊試驗(yàn)段的一節(jié)進(jìn)行仿真分析．試驗(yàn)采用四面體網(wǎng)格,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 138 446個(gè), 單元數(shù)為1 073 002個(gè)．管廊弧形板和鋼結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓連接, 兩者間的接觸設(shè)置為綁定;管廊上端自由,底部固定在混凝土敷設(shè)基礎(chǔ)上,底部設(shè)置為固定約束,弧形板兩端設(shè)置為位移約束和無(wú)摩擦約束．

管廊結(jié)構(gòu)上的荷載為永久荷載,包括管廊結(jié)構(gòu)自重W、土的側(cè)向和豎向壓力、側(cè)面SMC板所受下曳力, 按埋深5 m(位于地下水位以上)進(jìn)行加載, 管廊受力分析如圖4所示．豎向土壓力Fsv,k=γsHs, 式中回填土重度γs=19 kN/m3,Hs為管廊覆土厚度(m); 側(cè)向土壓力Fep,k=Kaγsz, 式中主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=1/3,z為地面至計(jì)算截面處的深度(m); 下曳力q3=μ(Fep,k1+Fep,k2)/2, 式中管廊壁與回填土的摩擦因數(shù)μ=0.25,Fep,k1與Fep,k2分別為管廊頂部與底部的側(cè)向土壓力．圖5為管廊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形云圖．由圖5可知, 管廊鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為131.89 MPa, 位于上面工字鋼與側(cè)面工字鋼的連接處; 弧形板的最大應(yīng)力為32.499 MPa; 管廊整體的最大變形為5.66 mm, 均位于頂部1.0 m×1.0 m SMC板弧面與平面的過(guò)渡處．

4 埋地性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證管廊仿真結(jié)果的合理性, 運(yùn)用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)對(duì)管廊填埋過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試, 管廊埋深5 m．根據(jù)仿真結(jié)果, 選取管廊中間段應(yīng)力和變形較大的位置為測(cè)點(diǎn), 如圖5所示．內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)上A1～A4為單向應(yīng)變片, W1、W2為變形測(cè)點(diǎn); 內(nèi)部面板上B1～B3為雙向應(yīng)變片,W3、W4為變形測(cè)點(diǎn)．

表3 應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

表4 變形試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

表3和表4為管廊應(yīng)力和變形的試驗(yàn)值與和仿真值的對(duì)比結(jié)果．由表3和表4可知,管廊應(yīng)力、變形仿真值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差均小于7%,表明仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確; 鋼結(jié)構(gòu)與SMC板上所有測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均小于材料的抗彎強(qiáng)度,其變形值也均較小,表明裝配式鋼塑復(fù)合綜合管廊的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求．

5 結(jié)論

1) 基于彈性力學(xué)理論提出一種新型裝配式鋼塑復(fù)合綜合管廊結(jié)構(gòu), 通過(guò)仿真分析將SMC平板優(yōu)化為等強(qiáng)度的弧形板, 1.0 m×1.0 m弧形板最大應(yīng)力和最大變形分別下降了64.57%和96.58%, 0.5 m×0.5 m弧形板最大應(yīng)力和最大變形分別下降了66.29%和96.44%．

2) 利用優(yōu)化后的SMC弧形板建立綜合管廊仿真分析模型,通過(guò)埋地性能試驗(yàn)測(cè)量管廊的應(yīng)力和變形,試驗(yàn)值與仿真值的相對(duì)誤差均在7%以內(nèi),驗(yàn)證了管廊模型的準(zhǔn)確性,得出管廊滿足設(shè)計(jì)要求,具有一定的可行性,為實(shí)際工程建設(shè)提供了參考．