大型輸水箱涵不同施工工藝應力應變三維分析

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三維分析

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值仿真計算，分析工況的合理性，并為優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數值模擬軟件［2］。FLAC3D基于三維顯式有限差分法的數值分析方法，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關系。如果單元應力使得材料屈服或產生塑性流動，則單元網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力產生的位移及變形情況研究較少，參考已有研究結果，結合上述研究內容要求，基于有壓輸水鋼筋混凝土箱涵設計圖，建立其三維數值分析模型，如圖1所示。

根據分析需要，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）澆筑側墻及頂板時，根據施工工法要求，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。同時施加寬度向側壁面χ、長度側壁面y向約束，頂板底面z向約束，頂板長度側壁面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）澆筑側墻，根據施工工法要求，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。同時施加寬度側壁面χ、長度側壁面y向約束，頂板底面z向約束，頂板長度側壁面y向約束，以模擬模板約束作用；

（3）澆筑頂板，根據施工工法要求，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。

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

圖2　監測點布置情況

2.3 物理力學參數

箱涵混凝土特性計算參數如表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

表2　C30混凝土強度

混凝土彈性模量：

數值計算中，根據拆模時間不同（即齡期不同），選擇對應的混凝土參數。

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值模擬分析，結合不同監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中各監測點最大主應力分布如圖3、圖4所示。

圖3　兩層澆筑監測點最大主應力（單位：kPa）

圖4　三層澆筑監測點最大主應力（單位：kPa）

由圖3中的數值結果可以看出，采用兩層澆筑方式在拆除模板后各監測點的最大主應力并無明顯區別，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論。

采用不同澆筑方法時，不同齡期各監測點的最小主應力分布如圖5、圖6所示。

圖5　兩層澆筑監測點最小主應力（單位：kPa）

圖6　三層澆筑監測點最小主應力（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測點位移如圖7、圖8所示。

圖7　兩層澆筑不同齡期監測點位移（單位：10-2mm）

圖8　層澆筑不同齡期監測點位移（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測點的位移情況如圖9～圖12所示。

圖9　齡期4天時監測點位移（單位：10-2mm）

圖10　齡期5天時監測點位移（單位：10-2mm）

圖11　齡期6天時監測點位移（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，一般規律為三層澆筑法對應各監測點位移基本低于兩層澆筑法所對應位移值，即自箱涵體穩定性角度考慮，三層澆筑法更有利于箱涵的穩定。

對箱涵所有剖分單元及節點的最大主應力、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，即對于箱涵結構而言，越有利于穩定性。

4　結語

長距離大流量混凝土輸水箱涵斷面尺寸大，壁厚小，混凝土結構受力條件復雜，極易產生各種裂縫，施工過程中極易出現不穩定狀態。為此采用FLAC3D數值模擬軟件，建立三維數值分析模型，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，進行數值檢測和分析對比，研究不同混凝土澆筑模式的優劣，對分析澆筑工藝的合理性，并提出推薦性意見，優化施工方案具有重要作用。

參考文獻

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［3］李進亮.三維數值仿真技術在混凝土箱涵施工中的研究［J］.水利建設與管理，2014（05）：18-22.

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［8］郭大勇.大體積混凝土抗裂技術在水利工程施工中的應用［J］.水利技術監督，2014（05）：65-67.

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