折型斜交削竹式洞门的三维弹塑性有限元分析

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1、公路隧道2010年第2期(总第70期)折型斜交削竹式洞门的三维弹塑性有限元分析舒春生(甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司兰州730030)摘要折型斜交削竹式隧道洞门是一种复杂的结构形式,需要采用三维弹塑性有限元分析才能得到精确的计算结果,为洞门的设计提供参考。采用等参8节点空间壳单元模拟洞口段衬砌结构,按变集度空间压力分布图式对衬砌结构施加土压力,仰拱类似于弹性地基板,采用弹性约束模拟边界条件。本文研究成果对折边斜交削竹式隧道洞门的工程设计具有一定的借鉴作用。关键词隧道削竹式洞门折型斜交三维弹塑性有限元当隧道洞口为松软堆积层时,应

2、避免大刷仰、边坡,一般采用接长明洞的方法,此时宜采用削竹式洞门,便于与自然地形坡度相一致。武罐高速公路桃树湾隧道采用了折边斜交削竹式隧道洞门,鉴于美观效果并结合洞口段地形特点,采用三次折边空间曲面形式,给人一种棱角分明美感,三次折边形成连绵起伏的韵律感。然而,折边斜交削竹式隧道洞门图1三维有限元模型是一种复杂的结构形式,折角角隅处和衬砌拱脚处2sinφ为材料常数,φ为内摩擦角,{s}为偏应可能存在应力集中现象,需要采用弹塑性有限元计3(3-sinφ)算才能得到正确的应力状态,并以此分析结果指导力向量,[M]为系数矩阵,σ=6ccos

3、φ为材料y3(3-sinφ)设计。屈服强度,C为内聚力。本文通过三维弹塑性有限元分析,给出了较为真实的应力状态,以及折角角隅处局部应力分布特1.3计算荷载计算荷载包括结构重力、土压力和温度力。混征,对该结构的构造及其细节设计及优化提供了参3考。同时研究了衬砌的刚度问题。本文研究成果对凝土容重取26kN/m,洞顶填土荷载视为静土压折边斜交削竹式隧道洞门的工程设计具有一定的借力,计算中将这一部分压力作为外荷载作用于衬砌鉴作用。结构,拱顶荷载按变集度空间压力分布图式施加。为了分析温度对衬砌应力状态的影响,计算中整体1分析模式升温取10°、

4、降温-10°。1.1有限元模型1.4边界条件模拟采用等参8节点空间壳单元模拟洞口段衬砌结仰拱与地基之间按弹性连接模拟,仰拱类似于构,计算模型单元数2063个,总节点数2129个,如弹性地基板受力,约束刚度对结构内力影响较大,需图1所示。该桥主梁采用C25混凝土,弹性模量E要根据实测地质资料计算地基土的约束刚度。洞门=2.8×104Mpa,泊松比为0.2。计算是假定周围岩段衬砌计算长度取15m(取至明暗分界线处),明暗体稳定的基础上进行的,以桃树湾隧道右线出口为分界面按刚性约束模拟,根据圣维南原理,端部的约例,取洞口段衬砌为研究对象。

5、束对远端应力结果影响较小。1.2弹塑性分析屈服准则2折边斜交削竹式洞门3维数值分析弹塑性应力应变本构模型采用弹塑性混凝土Drucker-Prager材料模型,屈服面F的表达式为:2.1洞门衬砌变形1T1/2根据有限元分析结果,重力荷载和土压力荷载F=3β{σm}+[{s}[M]{s}]-σy=02共同作用下,洞门衬砌变形如图2所示。从图2可式中:{σ}=1(σ+σ+σ)为平均应力,β=见,结构整体出现不对称受压变形模式,由于洞顶填m1233土造成结构处于偏压受力状态,右侧边墙向内侧压·17·©公路隧道2010年第2期(总第70期)缩

6、,而外侧边墙被压鼓偏向外侧,最大竖向位移为从图5和图6可见,第1主应力最大值为3.5mm。2.74Mpa,第3主应力为-4.56Mpa,可见主拉应力应控制设计。角隅处存在应力集中现象,第1主应力和第3主应力均呈辐射状分布,但应力集中区域范围很小。2.3温度对应力状态影响由于洞口段衬砌围岩、地基土等均对结构具有图2结构变形图弹性约束作用,属于多点约束体系,即超静定次数较2.2结构应力状态分析多的3维壳体,温度对结构影响较大,设计中应适当根据有限元计算结果,结构重力和土压力共同考虑温度效应。为了分析温度变化对结构的影响,作用下衬砌结构第

7、1主应力分布云图如图3所示,计算中以升温计算为例,取整体升温10°,降温度则第3主应力分布云图如图4所示。从图3、图4可相反。见,最大主拉应力为3.87Mpa,最大主压应力为-根据有限元计算结果,温度荷载作用下衬砌结4.8MPa,结构整体应力水平不高,但也不满足工构第1主应力分布云图如图7所示,第3主应力分结构设计标准,需要按钢筋混凝土构件进行设计及布云图如图8所示。从图7、图8可见,最大主拉应配筋,分别按承载能力极限状态和正常使用极限状力为1.74Mpa,最大主压应力为-1.39MPa。态进行检算。图3第1主应力分布云图图7温度荷

8、载作用下第1主应力分布云图图4第3主应力分布云图图8温度荷载作用下第3主应力分布云图为了分析折边角隅处的应力状态,从3维有限表1给出了温度荷载对结构应力状态的影响。元分析结果中提取了角隅处的主应力,见图5和从表1中可见,温度荷载所占最