半拱形公路棚洞结构抗冲击性能优化

林立宏,秦 伟,吴 清,彭泽友

(1.台州市交通投资集团有限公司,浙江台州 318001;2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710075;3.西安中交土木科技有限公司,陕西西安 710075)

半拱形公路棚洞结构抗冲击性能优化

林立宏1,秦 伟2,3,吴 清2,3,彭泽友2,3

(1.台州市交通投资集团有限公司,浙江台州 318001;2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710075;3.西安中交土木科技有限公司,陕西西安 710075)

利用ANSYS/LS-DYNA软件模拟落石冲击荷载作用下半拱形棚洞结构的动力特性,在分析棚洞结构受力变形的基础上,探索其抗冲击性能优化方法,提出通过调整棚洞截面形式控制应力扩散路径,从而提高棚洞的抗冲击性能.研究表明:将半拱形棚洞拱墙和顶板的连接断面向立柱方向水平偏移,使棚洞拱墙半径增大,水平顶板宽度减小,能有效降低滚石冲击引起的最大等效应力,减小棚顶的最大变形量,增强棚洞结构的抗冲击性能.

半拱形棚洞;抗冲击性;数值模拟;结构优化

0 引 言

山区公路的发展为滚石防护棚洞的广泛使用提供了契机.随着工程数量的增多,棚洞结构的安全性越来越受到重视[1-7].工程中已经出现不少棚洞因设计欠妥等原因,在遭到落石冲击时无法满足强度要求而被砸坏[8].因此,如何提高落石冲击作用下棚洞结构的抗冲击特性从而防灾减灾,是一个急需解决的问题.

目前,棚洞的型式多样,其中以半拱形钢筋混凝土棚洞的应用最为广泛.本文以已有的工程案例为原型,采用ANSYS/LS-DYNA软件分析滚石冲击作用下半拱式棚洞结构的受力变形特性,探索半拱式棚洞结构的抗冲击优化.

1 半拱式棚洞模型的计算与分析

棚洞基本组成要素包括基础、立柱(斜柱或直柱)、顶板和拱墙[9-11].根据棚洞结构的断面形状可将其分为2种,即半拱直柱式棚洞和半拱斜柱式棚洞,如图1所示.

图1 半拱式棚洞的种类

1．1 计算模型

几何模型由棚洞结构主体、棚顶缓冲土层和滚石3部分组成.棚洞结构宽度为12 m,高度为6 m,内轮廓为半径6 m的单心圆,棚洞为斜柱式时柱的倾角为75°;棚顶回填倾角为0．1∶1的缓冲土层,滚石冲击位置上覆土厚度为2 m;滚石等效直径为2 m,下落高度为10 m.考虑到棚洞结构在长度方向的对称性,本文沿长度方向取一跨即8 m进行分析.

(1)定义单元类型.选用ANSYS/LS-DYNA中的SOLID 164实体单元进行建模.

(2)选择材料属性.钢筋混凝土棚洞结构主体采用适用于大变形的MJH材料模型,棚顶填土选用接近土体材料性质的DP材料模型,滚石则选用刚体材料模型.

(3)网格划分.棚洞的动力特性是本文研究的重点,因此采用扫掠网格划分方式对棚洞主体和棚顶缓冲土层进行网格划分.生成的有限元模型规模分别为:半拱直柱式棚洞主体结构关键点38个、单元2 373个,棚顶填土关键点18个、单元6 531个;半拱斜柱式棚洞主体结构关键点38个、单元2 043个,棚顶填土关键点18个、单元6 531个.

(4)初始条件.初始时刻,落石和填土恰好接触,滚石下落高度为10 m,因此初始时刻落石的运动速度为－14 m·s－1.计算时,以自重应力场为主.

(5)边界条件.模型左边界取棚洞断面左侧,右边界取棚顶填土右侧边界,下边界取立柱和拱墙基础底面,计算时在右边界和下边界施加全约束[12].

通过上述步骤建立图2所示的2种半拱形棚洞结构的有限元计算模型.计算时用到的材料力学参数见表1.

图2 半拱形棚洞结构的有限元模型

表1 计算时采用的材料力学参数

1．2 计算结果分析

2种不同类型棚洞的等效应力云图如图3所示.

图3 冲击荷载下半拱式棚洞结构的等效应力云图

从图3可以看出:在滚石冲击作用下,半拱式棚洞的最大等效应力出现部位均为棚洞立柱顶部与顶板交接处柱内侧;2种棚洞在同等冲击条件下出现最大等效应力的历时不同,半拱直柱式棚洞为0.055 s,半拱斜柱式棚洞为0.045 s;在同等冲击条件下2种棚洞的最大等效应力不同,半拱直柱式棚洞为9.2 MPa,半拱斜柱式棚洞为7.2 MPa.图4为落石正下方棚洞顶板处的变形曲线.

图4 落石正下方棚洞顶板处的变形曲线

从图4可以看出:2种半拱式棚洞的冲击位置正下方顶板处的位移达到最大值后,以小幅震荡的方式减小;2种棚洞在同等冲击条件下的棚顶位移最大值不同,半拱直柱式棚洞棚顶的位移最大值为0.002 5 m,半拱斜柱式棚洞为0.002 m;2种棚洞在同等冲击条件下出现最大变形的历时也不同.

2 半拱式棚洞抗冲击结构优化

2．1 半拱式棚洞抗冲击性能优化

工程上用于提高棚洞结构抗冲击性能的方式通常有2种——提高结构强度或优化结构形式,以此减小应力变形[13-17].本文考虑采用优化结构形式(即优化截面形式)的方法提高半拱式棚洞的抗冲击性能,即通过控制结构内部应力的扩散路径,将应力有效地传递到指定部位,从而达到提高结构抗冲击性能的目的.

具体方法为:增大棚洞拱墙半径,将半拱式棚洞模型中拱墙和顶板的连接断面向立柱方向水平偏移1．2 m,使水平顶板宽度减小、拱墙曲率半径增加.这样落石冲击位置处的棚洞结构向山体方向倾斜,冲击力向连续拱墙方向扩散,从而减小立柱所承受的应力,如图5所示.

图5 半拱形棚洞结构优化前后对比

2．2 优化前后棚洞的抗冲击性能对比

半拱直柱式棚洞结构优化前后的最大等效应力对比曲线和滚石正下方棚洞顶板的变形对比曲线如图6所示.半拱斜柱式棚洞结构优化前后的最大等效应力对比曲线和滚石正下方棚洞顶板的变形对比曲线如图7所示.

图6 半拱直柱棚洞优化前后应力应变对比

从图6可以看出:半拱直柱式棚洞结构优化前的最大等效应力为9.15 MPa,优化后为8.53 MPa,减小了约6.8%;半拱直柱式棚洞结构优化前冲击位置正下方棚洞顶板处的位移为2.5 mm,优化后为1.9 mm,减小了约24%.

从图7可以看出:半拱斜柱式棚洞结构优化前的最大等效应力为7.2 MPa,优化后为6.9 MPa,减小了约4.2%;半拱斜柱式棚洞结构优化前冲击位置正下方棚洞顶板处的位移为2.0 mm,优化后为1.6 mm,减小了约25%.

综上可知:同等条件下,拱墙和顶板的连接断面向立柱方向水平偏移,使半拱式棚洞拱墙曲率半径增加、水平顶板宽度减小,能有效降低滚石冲击引起的最大等效应力,减小棚顶的最大变形量.

图7 半拱斜柱棚洞优化前后应力应变对比

3 结 语

本文采用ANSYS/LS-DYNA软件模拟半拱式棚洞在滚石冲击下的动力特性,探索了棚洞的抗冲击优化结构形式,得到以下结论.

(1)在滚石冲击作用下,半拱式棚洞最大等效应力出现的部位均为棚洞立柱顶部与顶板交接处柱内侧;2种棚洞在同等冲击条件下出现最大等效应力的历时不同;2种棚洞的最大等效应力不同,半拱直柱式棚洞的最大等效应力要比半拱斜柱式大很多.

(2)2种棚洞在同等冲击条件下棚顶出现最大变形的历时不同,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)对比分析了优化前后半拱式棚洞的最大等效应力和冲击位置正下方棚洞顶板处的变形情况;结果证明,增加拱墙曲率半径并减小水平顶板宽度的方法能有效控制应力扩散,降低最大等效应力与顶板变形.

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[责任编辑:杜卫华]

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

国家重点研发计划重点专项课题(2016YFC0802207)

林立宏(1975-),男,浙江台州人,工程师,研究方向为公路与城市道路工程.