摘 要：針對(duì)超深鋼護(hù)筒在水壓力作用下的受力性能問(wèn)題，本文采用ANSYS進(jìn)行了不同壁厚鋼護(hù)筒的有限元模擬。研究結(jié)果表明，鋼護(hù)筒的水平位移和應(yīng)力隨著鋼護(hù)筒深度的增加而增大;隨著壁厚的變大，鋼護(hù)筒水平位移逐漸減小，壁厚2.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒最大水平位移為壁厚0.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒最大水平位移的0.172;隨著壁厚的變大，鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值逐漸減小。壁厚2.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值為壁厚0.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值的0.164。

　　關(guān)鍵詞：鋼護(hù)筒;水壓力;位移;應(yīng)力

　　熊俊華[1]針對(duì)高壓輸水管道鋼管外包混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，提出了一種新型無(wú)粘結(jié)鋼管外包混凝土組合結(jié)構(gòu)型式，并結(jié)合南水水庫(kù)供水工程實(shí)例，闡述該組合結(jié)構(gòu)在內(nèi)水壓力、土壓力作用下的力學(xué)模型、工作機(jī)理和優(yōu)勢(shì)。鄧育林等[2]以三種墩高的圓截面深水墩為對(duì)象，借助有限元軟件建立墩-水相互作用的數(shù)值模型，考慮橋墩局部和整體損傷，同時(shí)考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響，分析不同損傷程度及不同墩頂質(zhì)量情況下的動(dòng)水附加質(zhì)量隨水位的變化，并通過(guò)動(dòng)水壓力和動(dòng)力特性分析進(jìn)行驗(yàn)證。盧華喜等[3]基于勢(shì)流體理論建立考慮墩-水相互作用的深水圓端型空心橋墩三維有限元模型，分析橋墩考慮內(nèi)域水、外域水及同時(shí)計(jì)入內(nèi)、外域水時(shí)不同水位下的動(dòng)水效應(yīng)對(duì)橋墩自振頻率及動(dòng)力響應(yīng)的影響，并討論橋墩壁厚不同時(shí)內(nèi)域水、外域水及同時(shí)考慮內(nèi)、外域水作用對(duì)橋墩地震響應(yīng)的影響規(guī)律。陳鷹[4]為研究橋梁深水基礎(chǔ)鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)的受力特性，采用ANSYS Workbench建立有限元模型，對(duì)鋼管樁圍堰結(jié)構(gòu)進(jìn)行變形及應(yīng)力分析，考慮在靜水壓力及動(dòng)水壓力作用下各工況中圍堰結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)及各構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，得出最不利工況，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供技術(shù)指導(dǎo)。高海東等[5]以港珠澳大橋拱北隧道曲線頂管管幕工程為背景，針對(duì)鋼頂管管節(jié)密封性能進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)和ABAQUS有限元模擬。

　　本文針對(duì)超高鋼護(hù)筒在水壓力作用下的應(yīng)力和變形進(jìn)行了有限元分析。

　　1 工程背景

　　南村黃河特大橋是澠(池)垣(曲)高速公路的控制性節(jié)點(diǎn)工程，大橋呈南北走向，全長(zhǎng)約為1 727.6 m，總寬為33 m，單幅橋?qū)挒?6.25 m，幅間凈距為0.5 m。由于本工程處于小浪底庫(kù)區(qū)，水位深、變化大，為減少深水施工的投入與風(fēng)險(xiǎn)，P3-P16主墩設(shè)計(jì)采用超大直徑樁基礎(chǔ)，同時(shí)采用樁柱一體式的下部結(jié)構(gòu)，主墩承臺(tái)下設(shè)置4根(2×2布置)直徑2.5 m的樁基礎(chǔ)，橫橋向樁間距為6.25 m，順橋向間距為5.0 m。為方便下部結(jié)構(gòu)施工，P4-P16主墩所有高程+276 m以上部分墩身采用模板施工，直徑為2.8 m，混凝土標(biāo)號(hào)為C40，+276 m以下至樁頂部分墩身采用鋼護(hù)筒施工，鋼護(hù)筒為永久性結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)護(hù)筒進(jìn)入沖止標(biāo)高以下，具體進(jìn)入長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況確定，此段墩身混凝土采用C40水下混凝土。經(jīng)設(shè)計(jì)，墩身鋼護(hù)筒采用Q345C鋼材制作，內(nèi)徑為3.0 m，壁厚為25 mm，其技術(shù)指標(biāo)符合《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591—2018)。鋼護(hù)筒示意圖如圖1所示。圖中，數(shù)據(jù)單位均為米(m)。

　　由于本項(xiàng)目中鋼護(hù)筒高度較大，鋼護(hù)筒底部插入土中后，尚剩余較大的高度位于水中，本文以P4橋墩為例，對(duì)水壓力作用下的鋼護(hù)筒進(jìn)行受力分析。

　　由圖1可知，鋼護(hù)筒底部標(biāo)高232～240 m的部位插入土中，有限元模擬時(shí)，底部8 m施加邊界條件為全約束，分析水壓力作用時(shí)，按照極限工況進(jìn)行分析，鋼護(hù)筒外部有水，按最高水位275.1 m計(jì)算，標(biāo)高240.0～275.1 m處位于水中，有限元模擬時(shí)，水的作用以面荷載形式進(jìn)行加載，如圖2所示。其間可以采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

　　2.2 工況設(shè)置

　　本文共設(shè)置五種工況，工況一為鋼護(hù)筒壁厚0.5 cm;工況二為鋼護(hù)筒壁厚1.0 cm;工況三為鋼護(hù)筒壁厚1.5 cm;工況四為鋼護(hù)筒壁厚2.0 cm;工況五為鋼護(hù)筒壁厚2.5 cm。

　　3 結(jié)果分析

　　3.1 水平位移分析

　　鋼護(hù)筒在水壓力作用下的水平位移云圖如圖3和圖4所示，由于鋼護(hù)筒是圓形，水壓力在同一深度處相同，因此，在同一深度處，兩個(gè)方向位移一致。圖3(a)和圖4(a)顯示，壁厚為0.5 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為0.892×10-3 m;圖3(b)和圖4(b)顯示，壁厚為1.0 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為0.412×10-3 m;圖3(c)和圖4(c)顯示，壁厚為1.5 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為0.250×10-3 m;圖3(d)和圖4(d)顯示，壁厚為2.0 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為0.191×10-3 m;圖3(e)和圖4(e)顯示，壁厚為2.5 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為0.153×10-3 m。分析可知，隨著壁厚的增厚，鋼護(hù)筒水平位移逐漸減小，壁厚2.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒最大水平位移為壁厚0.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒最大水平位移的0.172。

　　3.2 應(yīng)力分析

　　材料(鋼材)處于復(fù)雜應(yīng)力狀況時(shí)，為了判定材料是否進(jìn)入塑性階段，人們通常采用米塞斯應(yīng)力指標(biāo)。米塞斯應(yīng)力(Mises應(yīng)力)是一種折算應(yīng)力，折算依據(jù)為能量強(qiáng)度理論，即第四強(qiáng)度理論[6]。在三向應(yīng)力(立體應(yīng)力)作用下，米塞斯應(yīng)力可按式(2)計(jì)算。

　　式中，[σm]是米塞斯應(yīng)力，MPa;[σ1]是第一主應(yīng)力，MPa;[σ2]是第二主應(yīng)力，MPa;[σ3]是第三主應(yīng)力，MPa。

　　水壓力作用下的鋼護(hù)筒應(yīng)力云圖如圖5所示。圖5(a)顯示，壁厚為0.5 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為129 MPa;圖5(b)顯示，壁厚為1.0 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為61.9 MPa;圖5(c)顯示，壁厚為1.5 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為38.6 MPa;圖5(d)顯示，壁厚為2.0 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為26.6 MPa;圖5(e)顯示，壁厚為2.5 cm時(shí)，鋼護(hù)筒最大水平位移為21.2 MPa。分析可知，隨著壁厚的增厚，鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值逐漸減小。壁厚2.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值為壁厚0.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值的0.164。

　　4 結(jié)論

　　本文研究了水壓力作用下超深鋼護(hù)筒的變形及受力，得到如下結(jié)論。鋼護(hù)筒的水平位移和應(yīng)力隨著鋼護(hù)筒深度的增加而增大;隨著壁厚的變大，鋼護(hù)筒水平位移逐漸減小，壁厚2.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒最大水平位移為壁厚0.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒最大水平位移的0.172;隨著壁厚的變大，鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值逐漸減小。壁厚2.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值為壁厚0.5 cm時(shí)鋼護(hù)筒米塞斯應(yīng)力極值的0.164。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]熊俊華.新型無(wú)粘結(jié)鋼管外包混凝土組合結(jié)構(gòu)在高壓輸水工程中的應(yīng)用[J].吉林水利，2019(5)：33-36.

　　[2]鄧育林，湯軻，譚金華，等.考慮結(jié)構(gòu)損傷的深水橋墩動(dòng)水效應(yīng)等效附加質(zhì)量研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2019(4)：605-610.

　　[3]盧華喜，周珍偉，鄭孝輝.基于流體單元法的深水圓端型空心橋墩地震響應(yīng)分析[J].建筑技術(shù)，2017(4)：353-356.

　　[4]陳鷹.橋梁深水基礎(chǔ)鋼管樁圍堰受力特性分析[J].鐵道建筑，2018(9)：27-30.

　　[5]高海東，趙濤，馬勝利，等.高水壓條件下鋼頂管管節(jié)密封性試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2015(2)：148-154.

　　[6]鞠彥忠，彭雅軒，田玉梅，等.材料力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013：102-103.

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