半拱形公路棚洞結構抗沖擊性能優化

林立宏,秦 偉,吳 清,彭澤友

(1.臺州市交通投資集團有限公司,浙江臺州 318001;2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西西安 710075;3.西安中交土木科技有限公司,陜西西安 710075)

半拱形公路棚洞結構抗沖擊性能優化

林立宏1,秦 偉2,3,吳 清2,3,彭澤友2,3

(1.臺州市交通投資集團有限公司,浙江臺州 318001;2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西西安 710075;3.西安中交土木科技有限公司,陜西西安 710075)

利用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬落石沖擊荷載作用下半拱形棚洞結構的動力特性,在分析棚洞結構受力變形的基礎上,探索其抗沖擊性能優化方法,提出通過調整棚洞截面形式控制應力擴散路徑,從而提高棚洞的抗沖擊性能.研究表明:將半拱形棚洞拱墻和頂板的連接斷面向立柱方向水平偏移,使棚洞拱墻半徑增大,水平頂板寬度減小,能有效降低滾石沖擊引起的最大等效應力,減小棚頂的最大變形量,增強棚洞結構的抗沖擊性能.

半拱形棚洞;抗沖擊性;數值模擬;結構優化

0 引 言

山區公路的發展為滾石防護棚洞的廣泛使用提供了契機.隨著工程數量的增多,棚洞結構的安全性越來越受到重視[1-7].工程中已經出現不少棚洞因設計欠妥等原因,在遭到落石沖擊時無法滿足強度要求而被砸壞[8].因此,如何提高落石沖擊作用下棚洞結構的抗沖擊特性從而防災減災,是一個急需解決的問題.

目前,棚洞的型式多樣,其中以半拱形鋼筋混凝土棚洞的應用最為廣泛.本文以已有的工程案例為原型,采用ANSYS/LS-DYNA軟件分析滾石沖擊作用下半拱式棚洞結構的受力變形特性,探索半拱式棚洞結構的抗沖擊優化.

1 半拱式棚洞模型的計算與分析

棚洞基本組成要素包括基礎、立柱(斜柱或直柱)、頂板和拱墻[9-11].根據棚洞結構的斷面形狀可將其分為2種,即半拱直柱式棚洞和半拱斜柱式棚洞,如圖1所示.

圖1 半拱式棚洞的種類

1．1 計算模型

幾何模型由棚洞結構主體、棚頂緩沖土層和滾石3部分組成.棚洞結構寬度為12 m,高度為6 m,內輪廓為半徑6 m的單心圓,棚洞為斜柱式時柱的傾角為75°;棚頂回填傾角為0．1∶1的緩沖土層,滾石沖擊位置上覆土厚度為2 m;滾石等效直徑為2 m,下落高度為10 m.考慮到棚洞結構在長度方向的對稱性,本文沿長度方向取一跨即8 m進行分析.

(1)定義單元類型.選用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID 164實體單元進行建模.

(2)選擇材料屬性.鋼筋混凝土棚洞結構主體采用適用于大變形的MJH材料模型,棚頂填土選用接近土體材料性質的DP材料模型,滾石則選用剛體材料模型.

(3)網格劃分.棚洞的動力特性是本文研究的重點,因此采用掃掠網格劃分方式對棚洞主體和棚頂緩沖土層進行網格劃分.生成的有限元模型規模分別為:半拱直柱式棚洞主體結構關鍵點38個、單元2 373個,棚頂填土關鍵點18個、單元6 531個;半拱斜柱式棚洞主體結構關鍵點38個、單元2 043個,棚頂填土關鍵點18個、單元6 531個.

(4)初始條件.初始時刻,落石和填土恰好接觸,滾石下落高度為10 m,因此初始時刻落石的運動速度為－14 m·s－1.計算時,以自重應力場為主.

(5)邊界條件.模型左邊界取棚洞斷面左側,右邊界取棚頂填土右側邊界,下邊界取立柱和拱墻基礎底面,計算時在右邊界和下邊界施加全約束[12].

通過上述步驟建立圖2所示的2種半拱形棚洞結構的有限元計算模型.計算時用到的材料力學參數見表1.

圖2 半拱形棚洞結構的有限元模型

表1 計算時采用的材料力學參數

1．2 計算結果分析

2種不同類型棚洞的等效應力云圖如圖3所示.

圖3 沖擊荷載下半拱式棚洞結構的等效應力云圖

從圖3可以看出:在滾石沖擊作用下,半拱式棚洞的最大等效應力出現部位均為棚洞立柱頂部與頂板交接處柱內側;2種棚洞在同等沖擊條件下出現最大等效應力的歷時不同,半拱直柱式棚洞為0.055 s,半拱斜柱式棚洞為0.045 s;在同等沖擊條件下2種棚洞的最大等效應力不同,半拱直柱式棚洞為9.2 MPa,半拱斜柱式棚洞為7.2 MPa.圖4為落石正下方棚洞頂板處的變形曲線.

圖4 落石正下方棚洞頂板處的變形曲線

從圖4可以看出:2種半拱式棚洞的沖擊位置正下方頂板處的位移達到最大值后,以小幅震蕩的方式減小;2種棚洞在同等沖擊條件下的棚頂位移最大值不同,半拱直柱式棚洞棚頂的位移最大值為0.002 5 m,半拱斜柱式棚洞為0.002 m;2種棚洞在同等沖擊條件下出現最大變形的歷時也不同.

2 半拱式棚洞抗沖擊結構優化

2．1 半拱式棚洞抗沖擊性能優化

工程上用于提高棚洞結構抗沖擊性能的方式通常有2種——提高結構強度或優化結構形式,以此減小應力變形[13-17].本文考慮采用優化結構形式(即優化截面形式)的方法提高半拱式棚洞的抗沖擊性能,即通過控制結構內部應力的擴散路徑,將應力有效地傳遞到指定部位,從而達到提高結構抗沖擊性能的目的.

具體方法為:增大棚洞拱墻半徑,將半拱式棚洞模型中拱墻和頂板的連接斷面向立柱方向水平偏移1．2 m,使水平頂板寬度減小、拱墻曲率半徑增加.這樣落石沖擊位置處的棚洞結構向山體方向傾斜,沖擊力向連續拱墻方向擴散,從而減小立柱所承受的應力,如圖5所示.

圖5 半拱形棚洞結構優化前后對比

2．2 優化前后棚洞的抗沖擊性能對比

半拱直柱式棚洞結構優化前后的最大等效應力對比曲線和滾石正下方棚洞頂板的變形對比曲線如圖6所示.半拱斜柱式棚洞結構優化前后的最大等效應力對比曲線和滾石正下方棚洞頂板的變形對比曲線如圖7所示.

圖6 半拱直柱棚洞優化前后應力應變對比

從圖6可以看出:半拱直柱式棚洞結構優化前的最大等效應力為9.15 MPa,優化后為8.53 MPa,減小了約6.8%;半拱直柱式棚洞結構優化前沖擊位置正下方棚洞頂板處的位移為2.5 mm,優化后為1.9 mm,減小了約24%.

從圖7可以看出:半拱斜柱式棚洞結構優化前的最大等效應力為7.2 MPa,優化后為6.9 MPa,減小了約4.2%;半拱斜柱式棚洞結構優化前沖擊位置正下方棚洞頂板處的位移為2.0 mm,優化后為1.6 mm,減小了約25%.

綜上可知:同等條件下,拱墻和頂板的連接斷面向立柱方向水平偏移,使半拱式棚洞拱墻曲率半徑增加、水平頂板寬度減小,能有效降低滾石沖擊引起的最大等效應力,減小棚頂的最大變形量.

圖7 半拱斜柱棚洞優化前后應力應變對比

3 結 語

本文采用ANSYS/LS-DYNA軟件模擬半拱式棚洞在滾石沖擊下的動力特性,探索了棚洞的抗沖擊優化結構形式,得到以下結論.

(1)在滾石沖擊作用下,半拱式棚洞最大等效應力出現的部位均為棚洞立柱頂部與頂板交接處柱內側;2種棚洞在同等沖擊條件下出現最大等效應力的歷時不同;2種棚洞的最大等效應力不同,半拱直柱式棚洞的最大等效應力要比半拱斜柱式大很多.

(2)2種棚洞在同等沖擊條件下棚頂出現最大變形的歷時不同,且半拱直柱式棚洞的位移最大值比半拱斜柱式棚洞大很多.

(3)對比分析了優化前后半拱式棚洞的最大等效應力和沖擊位置正下方棚洞頂板處的變形情況;結果證明,增加拱墻曲率半徑并減小水平頂板寬度的方法能有效控制應力擴散,降低最大等效應力與頂板變形.

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[責任編輯:杜衛華]

Analysis of Structural Optimization of Impact Resistance of Semi-arched Highway Shed

LIN Li-hong1,QIN Wei2,3,WU Qing2,3,PENG Ze-you2,3
(1．Taizhou Communications Investment Group Co．,Ltd．,Taizhou 318001,Zhejiang,China; 2．CCCC First Highway Consultants Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China; 3．CCCC Civil Engineering Science&Technology Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China)

ANSYS/LS-DYNA was applied to simulate the dynamic characteristics of the semiarched shed against the impact of falling stone．Based on the analysis of the deformation characteristics of the shed structure,the method of optimizing the impact resistance was explored．It was proposed to improve the impact resistance of the shed by adjusting the form of the shed section and controlling the stress diffusion path．The results show that by horizontally offsetting the connection section of the arch wall and the roof of semi-arched shed to the direction of the column so that the radius of the arch wall is increased and the width of the horizontal roof is reduced,both the maximum equivalent stress caused by the impact of falling stone and the maximum deformation of the roof are reduced,and the impact resistance of the shed structure is enhanced．

semi-arched shed;impact resistance;numerical simulation;structural optimization

U417．9

B

1000-033X(2017)05-0055-04

2016-11-07

國家重點研發計劃重點專項課題(2016YFC0802207)

林立宏(1975-),男,浙江臺州人,工程師,研究方向為公路與城市道路工程.