塑料檢查井收口錐體結構有限元計算分析

王侃文,楊佳春,何旅洋

(1.上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200032;2.同濟大學應用力學研究所,上海市 200092)

塑料檢查井收口錐體結構有限元計算分析

王侃文1,楊佳春1,何旅洋2

(1.上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200032;2.同濟大學應用力學研究所,上海市 200092)

利用通用有限元軟件Abaqus對塑料檢查井收口錐體結構進行計算分析,通過對計算數據的觀察分析,得出收口錐體下端過渡區域存在應力集中現象的結論,為塑料檢查井收口錐體的外形合理優化提供了重要依據。

塑料檢查井;收口錐體;有限元計算

0 引言

傳統檢查井為磚砌結構,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工程建設,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調而發生滲漏的問題尤顯突出。在當前構建“節約型、環保型”社會的形勢下,傳統檢查井已經不能適應現代基礎建設的發展要求。為了解決這一問題,國內一些企業研制生產塑料檢查井代替磚砌或混凝土檢查井,并已進入工程應用。

建設部2004年(218)號文件公布,明確禁止使用黏土實心磚,“十一·五”技術公告要求塑料管道應優先采用塑料檢查井,因此,塑料檢查井以其綠色、環保、節能、節地等諸多優勢成為替代磚砌檢查井的主要產品之一。

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

本文通過對塑料檢查井收口錐體的有限元計算分析,分析其主要受力特點,為塑料檢查井收口錐體的結構分析提供實例,為行業標準的進一步健全完善提供支撐,促進塑料檢查井在行業內的普及應用。

1 塑料(HDPE)檢查井收口錐體有限元計算

1.1 幾何建模

有限元仿真分析的研究對象為TJ系列排水塑料檢查井,并依據“TJ系列排水塑料檢查井——上海市建筑產品推薦性應用圖集212”中收口錐體尺寸進行3D建模。收口錐體為對稱結構,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 網格劃分

將收口錐體3D模型導入到Hypermesh中,進行網格劃分,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行加密,最小單元尺寸為0.2 mm,整個模型共劃分5 994 303個單元,1 277 117個節點,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 網格劃分圖

計算中,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,軸向壓力計算公式如下:

式中:Fd為回填土下曳力設計值,N;Fsv為結構自重,N;Aup為井筒的上表面面積,mm2。

回填土的下拽力為2.96 kN,結構自重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

結構受到土壓力18.18 kN,均布施加在結構豎向投影面積上,如圖5。

圖5 軸向壓力示意圖二

結構受到周圍土體的側向土壓力,根據高度不同,分為井筒底的側向主動土壓力和井室頂部的側向主動土壓力,如圖6。

圖6 側向土壓力示意圖

由于模型為二分之一對稱結構,所以采用對稱模型,在模型的邊界處施加對稱約束,如圖7所示。

圖7 對稱模型示意圖

1.4 有限元分析

有限元分析劃分單元類型為C3D4單元,為三維四面體四節點實體線性單元,其應力位移的行為都是基于拉格朗日或材料描述的,分析中,與單元關聯的材料保持與單元關聯,并且材料不能從單元中流出和越過單元的邊界［4］。計算結果見圖8～圖11。表1為有限元計算結果分析表。

圖8 von Mises應力云圖

圖9 Z方向應力云圖

圖10 合位移云圖

圖11 應變云圖

表1 為限元計算結果分析表

2 結論

從塑料檢查井收口錐體結構的有限元計算結果中可以看出,應力最大位置發生在應力集中點,最大應力為15.74 MPa,最大應力與最大應變發生位置一致,最大應變為0.08 092,最大位移發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小量。該收口錐體結構整體剛度較大,但存在局部應力集中的情況,最大應力發生在收口錐體下端過渡區域,建議在今后的工程應用中將此區域進行優化。

［1］ GB 50068—2001,建筑結構可靠度設計統一標準［S］.

［2］ 趙遠清.高密度聚乙烯檢查井結構設計研究 ［J］.特種結構，2008，2(1):69-83.

［3］ DBJ53/T-25—2010,塑料排水檢查井應用技術規程 ［S］.

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

TU992

A

1009-7716(2015)03-0106-03

2014-12-18

王侃文(1977-),男,浙江上虞人,高級工程師,從事市政工程結構設計工作。