擋土墻結(jié)構(gòu)模型的仿真模擬與優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙海博，張?zhí)斐桑瑥堊怨猓?，孔滿意，李成，張智語

（1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601）

0 引言

當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展日新月異，道路為各大城市間人員與物資聯(lián)系奠定了基礎(chǔ)，擋土墻作為其附屬部分，則為泥石流災(zāi)害、防止山體滑坡以及確保道路正常運(yùn)營做出了重要貢獻(xiàn)。擋土墻是一種常用的支擋結(jié)構(gòu)形式，分為錨定式擋土墻、加筋式擋土墻、重力式擋土墻、薄壁式擋土墻和其他類型擋土墻，廣泛應(yīng)用于水利水電、房建、交通等領(lǐng)域[1]。

在擋土墻橫斷面中，墻背是指被支撐土體直接接觸的部位；與墻背相對(duì)的凌空的部位稱為墻面；基底與地基直接接觸；與基底相對(duì)的墻的頂面稱為墻頂；基底的前端稱為墻趾；基底的后端稱為墻踵。擋土墻的受力情況比較復(fù)雜，主要由墻背方向土質(zhì)結(jié)構(gòu)形成的扭力、墻頂上方的壓力以及墻面方向受到意外沖擊的沖擊力三者構(gòu)成。

本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽以擋土墻為背景，擬通過對(duì)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)和制作，使結(jié)構(gòu)模型具有支撐及防沖擊結(jié)構(gòu)，并通過對(duì)模型進(jìn)行豎向靜力加載試驗(yàn)、扭力加載試驗(yàn)和水平拉力加載試驗(yàn)，討論模型結(jié)構(gòu)在不同受力狀態(tài)下的受力性能以及破壞特點(diǎn)[2]。

1 設(shè)計(jì)要求與加載方法

1.1 設(shè)計(jì)要求

模型任何結(jié)構(gòu)必須布置在-200mm≤X≤200mm、-65mm≤Y≤65mm、0≤Z≤350mm的長方體區(qū)域內(nèi)（見圖1）。

圖1 整體模型及底板

模型通過502膠水固定在底板上，且模型支座僅能粘接在底板表面外邊框?yàn)?200mm≤X≤200mm、-65mm≤Y≤65mm，內(nèi)邊框?yàn)?170mm≤X≤170mm、-35mm≤Y≤35mm的陰影范圍內(nèi)（見圖2）。

圖2 模型固定范圍（單位:mm）

1.2 加載方法

1.2.1 一級(jí)加載

一級(jí)加載通過放置一加載重塊施加豎向靜力荷載，豎向靜力加載重塊規(guī)格為：400mm×80mm×80mm，質(zhì)量為5kg。加載時(shí)將加載重塊放置到如圖3位置。加載完成停留15s，如模型構(gòu)件無發(fā)生破壞或模型無發(fā)生垮塌，進(jìn)入二級(jí)加載。

圖3 模型加載坐標(biāo)示意圖（單位：mm）

1.2.2 二級(jí)加載

移除一級(jí)加載，在①、③加載點(diǎn)通過掛扣連接繩索施加扭力荷載：①X=-200mm,Y=-65mm；③X=200mm，Y=65mm；每一加載點(diǎn)施加4kg荷載，總計(jì)施加8kg荷載。加載點(diǎn)施加力的方向如圖4，扭力所在平面與模型上平面重合。加載完成停留15s，如模型構(gòu)件無發(fā)生破壞或模型無發(fā)生垮塌，進(jìn)入二級(jí)加載。

圖4 二級(jí)加載受力方向

1.2.3 三級(jí)加載

保留二級(jí)加載各加載點(diǎn)一半荷載，在⑤加載點(diǎn)通過掛扣連接繩索施加3kg水平瞬時(shí)拉力加載（3kg鋼球）。進(jìn)行三級(jí)加載時(shí)，3kg鋼球在一定高度（鋼球與模型相連鋼繩處于繃緊狀態(tài)時(shí)將鋼球抬升200mm，加載示意圖見圖5）釋放，鋼球以自由落體方式給予模型瞬時(shí)拉力。加載完成停留15s，如模型構(gòu)件無發(fā)生破壞或模型無發(fā)生垮塌，則判定為加載成功。

圖5 三級(jí)加載示意圖

2 材料性質(zhì)與截面尺寸

2.1 材料性質(zhì)

模型尺寸為：400mm×130mm×350mm。

模型的材料為桐木，規(guī)格及參考強(qiáng)度見表1。

表1 模型材料規(guī)格及參考強(qiáng)度

2.2 截面尺寸

模型構(gòu)件截面信息，見表2。

表2 模型構(gòu)件截面信息

3 加載結(jié)果及分析

一級(jí)加載要求：模型在-200mm≤X≤200mm、-65mm≤Y≤15mm、345mm≤Z≤350mm區(qū)域內(nèi)應(yīng)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)闹位蚱脚_(tái)用于放置豎向靜力加載重塊。豎向靜力加載重塊規(guī)格為長400mm×寬80mm×高80mm，重量為5kg。進(jìn)行加載時(shí)，加載重塊A面與模型B面應(yīng)處于同一平面上。

二級(jí)加載要求：模型須設(shè)計(jì)4個(gè)加載節(jié)點(diǎn)用以施加扭轉(zhuǎn)力荷載，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為①X=-200mm,Y=-65mm，②X=200mm,Y=-65mm，③X=200mm，Y=65mm，④X=-200mm，Y=65mm，節(jié)點(diǎn)高度須在345mm≤Z≤350mm范圍內(nèi)，且四個(gè)加載節(jié)點(diǎn)所成平面應(yīng)平行于底面。進(jìn)行加載時(shí)，會(huì)在隨機(jī)一組對(duì)角點(diǎn)上施加一組固定力偶。

三級(jí)加載要求：模型須設(shè)計(jì)1個(gè)加載節(jié)點(diǎn)用以施加水平瞬時(shí)拉力荷載。加載節(jié)點(diǎn)⑤坐標(biāo)為X=0,Z=200mm,節(jié)點(diǎn)在Y軸上的位置應(yīng)設(shè)置在-65mm≤Y≤65mm范圍內(nèi)。加載后得到模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D見下圖6。

圖6 三級(jí)荷載下模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

由模擬結(jié)果可以得到擋土墻應(yīng)力最大值為Pa，應(yīng)變[3]最大處為。不難發(fā)現(xiàn)在三級(jí)荷載作用下，模型受力良好，應(yīng)變均勻。但仍需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以期獲得更為優(yōu)越的受力能力。

4 模型的優(yōu)化

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

擋土墻的變形是由兩個(gè)方面引起的：①由于外界荷載引起的變形；②由于模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起的變形。

在結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)中，由①引起的變形無法改變，故應(yīng)著重對(duì)②產(chǎn)生的變形進(jìn)行優(yōu)化。由應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D得擋土墻因受扭矩影響發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

不難發(fā)現(xiàn)擋土墻墻尖結(jié)構(gòu)變形較大，從而想到墻尖受力較大，故對(duì)墻尖輔以三角形結(jié)構(gòu)。

觀察擋土墻墻體，其底層完全固定，上層受到外力傳遞的荷載作用，易得擋土墻墻體以扭矩作用效果明顯，由于擋土墻主體扭轉(zhuǎn)變形較大，故而對(duì)擋土墻墻體每層輔以四棱錐結(jié)構(gòu)。模型實(shí)體見圖7[4]。

圖7 擋土墻模型實(shí)體圖

4.2 優(yōu)化后模型的檢驗(yàn)

4.2.1 一級(jí)加載

一級(jí)荷載下優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D見圖8。

圖8 一級(jí)荷載下優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

應(yīng)力方面，擋土墻受力主要集中在內(nèi)部桿件，外部桿件及柱腳受力較小，可以有效避免模型因柱腳受力過大產(chǎn)生的折斷現(xiàn)象；

應(yīng)變方面，受模型上部荷載影響，模型上梁產(chǎn)生變形較大，其他部分應(yīng)變較小。

4.2.2 二級(jí)加載

二級(jí)荷載下優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D見圖9。

圖9 二級(jí)荷載下優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

應(yīng)力方面，由于二級(jí)加載施加的為扭力，故模型受力主要集中于柱腳及下梁部分，但模型桿件整體應(yīng)力仍保持在較小的水平。

應(yīng)變方面，模型在二級(jí)荷載作用下，應(yīng)變主要發(fā)生在上部左端，整體應(yīng)變由上部左端至下部右端漸漸縮小，模型整體應(yīng)變較小。

4.2.3 三級(jí)加載

由于三級(jí)加載涉及水平瞬時(shí)拉力荷載（具體內(nèi)容已在1.2.3闡述完備，此處不再贅述）。

優(yōu)化后的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D如下圖10所示。

圖10 三級(jí)荷載作用下優(yōu)化后模型的應(yīng)力與應(yīng)變?cè)茍D

應(yīng)力方面，在三級(jí)荷載下，模型應(yīng)力分布較為均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中于某段桿件的現(xiàn)象，模型各部分應(yīng)力值大體相當(dāng)，增加了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

應(yīng)變方面，模型上部左端應(yīng)變較大，由上部左端至下部右端，模型整體應(yīng)變逐漸減小，始終保持在較小的水平。

三級(jí)荷載下，對(duì)優(yōu)化前后模型應(yīng)力應(yīng)變值進(jìn)行對(duì)比，見表3。優(yōu)化后模型的最大應(yīng)力值僅為優(yōu)化前的58.8%，優(yōu)化后模型應(yīng)變最大值僅為優(yōu)化前的57.6%。

表3 三級(jí)荷載下優(yōu)化前后模型的最大應(yīng)力應(yīng)變值

為了對(duì)模型在瞬時(shí)拉力施加過程中的變形有更全面的了解，故而展示三級(jí)荷載作用下不同分析步的模型應(yīng)變?cè)茍D（由于Step1-Step5模型應(yīng)變變化較小，故此處不再介紹，選取Step6-Step11的應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行分析）.三級(jí)荷載作用下不同分析步的優(yōu)化后模型應(yīng)變?cè)茍D如下圖11所示。

圖11 三級(jí)荷載作用下不同分析步的優(yōu)化后模型應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)語

采用ABAQUS對(duì)擋土墻模型進(jìn)行仿真模擬，經(jīng)過優(yōu)化后，在三級(jí)荷載下模型應(yīng)力最大值僅為優(yōu)化前的58.8%，模型應(yīng)變最大值僅為優(yōu)化前的57.6%。優(yōu)化后模型的承載能力較優(yōu)化前有較大改善。這說明，ABAQUS的模擬分析對(duì)于結(jié)構(gòu)模型的理論優(yōu)化方面具有重要指導(dǎo)意義，可以為相關(guān)理論的分析提供借鑒意義。同時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽同實(shí)際工程一樣，在設(shè)計(jì)與實(shí)施時(shí)，應(yīng)以力學(xué)理論為基礎(chǔ)，避免走彎路[5]。