基于有限元法的施工便橋?qū)扔泄┧苡绊懛治?/h1>
2021-09-24 03:42:52陳小云姚廣亮
廣西水利水電 2021年4期
陳小云，姚廣亮
（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635）
1 工程概況
深圳市東江水源工程，是為了解決深圳市東部地區(qū)城鎮(zhèn)的急需用水，由深圳市負(fù)責(zé)興建的II等大（2）型水利工程。工程從惠陽(yáng)境內(nèi)的東江和西枝江設(shè)抽水站取水，將原水送至深圳市東部的松子坑水庫(kù)等。沿途主要采用管道、箱涵和隧洞輸水，輸水線(xiàn)路全長(zhǎng)約56.6 km[1]。深圳市東部供水水源工程（一期）于1996年11月開(kāi)工，2000年6月通水試機(jī)，2001年正式投入運(yùn)行。深圳市東部供水水源工程（二期）于2006年開(kāi)工，2010年投入運(yùn)行。深圳市東部供水水源工程（二期）為一期的擴(kuò)建工程，是在一期工程的基礎(chǔ)上增加年取水量3.7億m3，使深圳市東部供水水源工程年供水量達(dá)至7.2億m3。
河惠莞高速公路惠州平潭至潼湖段位于惠州市境內(nèi)，項(xiàng)目東線(xiàn)起點(diǎn)位于惠州市平潭鎮(zhèn)的公子嶺，沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)的城鎮(zhèn)主要有惠州市橫瀝、平潭、馬安、三棟、陳江、潼湖鎮(zhèn)等，終點(diǎn)位于惠州市潼湖鎮(zhèn)。河惠莞高速公路工程施工便橋上跨東江水源一、二期供水管。便橋橋面總寬5 m，采用三跨橫跨東江水源供水管，最長(zhǎng)跨度為12 m，采用工字型鋼梁（11條45c工字鋼焊接）+橋面鋼板（厚2 cm），便橋兩端采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)（寬×高=1.4 m×1.8 m），橫跨位置供水管覆土厚度2.2～2.3 m，便橋底部與地面預(yù)留0.3 m的凈空，以適應(yīng)便橋的變形，相互關(guān)系見(jiàn)圖1所示。
圖1 施工便橋與供水管相互關(guān)系示意圖
2 工程地質(zhì)
交叉位置地層由上至下分別為：
（1）素填土層。黃褐色，稍密，成份主要以砂巖碎石混黏性土回填而成，層厚1.50～4.50 m。
（2）粉質(zhì)黏土?；液稚?，可塑，黏性一般、土質(zhì)較均勻，層厚2.2～4.70 m。
（3）中粗砂：灰褐色，稍密～中密，飽和狀，夾薄層粉細(xì)砂及少量礫石，級(jí)配一般，成份分選性較好，層厚0.90～5.80 m。
（4）礫砂?；尹S色，中密，飽和，主要為石英長(zhǎng)石，成份分選性較好，級(jí)配較差，層厚2.90～3.60 m。
（5）卵石。雜色，中密、飽和，粒徑20～60 mm，呈亞圓狀，主要為石英長(zhǎng)石，成份分選性較好，級(jí)配較差，層厚1.20～6.80 m。
（6）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。紫褐色，泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造，風(fēng)化不均勻，夾中風(fēng)化巖，巖芯破碎，多數(shù)呈3-6 cm塊狀，局部夾短柱狀，埋深23.30～28.5 m，層厚6.90～11.90 m。
（7）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。黃褐色～紫褐色，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈砂土狀、碎塊狀，手捏易碎散，埋深22.40 m，層厚1.30 m。
3 施工便橋?qū)┧苡绊懹邢拊治?/h2>3.1 荷載及工況
計(jì)算荷載按公路Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載，考慮3種工況。
（1）工況一?？紤]同向兩輛車(chē)先后通過(guò)便橋（即每條便橋上各行走1輛施工車(chē)輛），將所有動(dòng)力荷載和靜荷載作用4條條形基礎(chǔ)上；
（2）工況二?？紤]不均勻作用影響，僅通行1輛施工車(chē)輛，車(chē)輛后部?jī)奢S作用在兩條供水管之間的一條條形基礎(chǔ)上，另外的軸作用在另外一條條形基礎(chǔ)上。該工況又分荷載分別位于左、右供水管兩種情況。
（3）工況三。后部?jī)奢S作用在4條條形基礎(chǔ)的外側(cè)基礎(chǔ)上，其他3條條形基礎(chǔ)僅承擔(dān)靜荷載。該工況又分荷載分別位于左、右供水管兩種情況。
各工況考慮荷載分布見(jiàn)表1，分析工況基礎(chǔ)示意圖見(jiàn)圖2。
表1 分析工況及荷載表
圖2 分析工況基礎(chǔ)示意圖
3.2 管道受力影響分析
便橋基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，橋面采用工字型鋼跨越，且工字型鋼與地面存在0.3 m的凈空，因此，便橋自重及橋面荷載均通過(guò)條形基礎(chǔ)傳遞。條形基礎(chǔ)寬b為1.4 m，高h(yuǎn)為1.8 m，橫跨位置PCP供水管覆土厚度2.3 m，條形基礎(chǔ)底與PCP管頂部距離Z為0.8 m；橫跨位置PCCP供水管覆土厚度2.2 m，條形基礎(chǔ)底與PCCP管頂部距離Z為0.7 m。Z/b均大于0.5，地基壓力擴(kuò)散線(xiàn)與垂直線(xiàn)的夾角θ為23°～30°[2，3]。
條形基礎(chǔ)基底壓力按23°～30°擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散的壓力都位于供水管下部或底部位置。因此，施工臨時(shí)便橋車(chē)輛荷載擴(kuò)散后，供水管本身的受力體系發(fā)生變化小，因此施工便橋?qū)┧軅?cè)向受力及變形影響較小。但是由于便橋增加的荷載通過(guò)條形基礎(chǔ)作用到管道底部后會(huì)增加地基的變形，從而影響管道的變形，需要通過(guò)分析計(jì)算確定附加荷載對(duì)管道變形的影響。
3.3 有限元法分析
3.3.1 分析模型
有限元模型采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行實(shí)際模擬。由于供水管實(shí)際上是以某固定長(zhǎng)度的管節(jié)通過(guò)承插接口連接，參考拼裝式結(jié)構(gòu)整體剛度折減的辦法，對(duì)供水管整體剛度按0.1E計(jì)算（E為管節(jié)本身的混凝土彈性模量）。整體模型見(jiàn)圖3。
圖3 有限元模型圖
3.3.2 有限元分析結(jié)果
經(jīng)計(jì)算，各工況下，地層整體變形及PCP管、PCCP管變形值如表2所示。表2中相對(duì)轉(zhuǎn)角是把供水管最大變形值假定為單節(jié)管的最大變位差求得。各工況計(jì)算的地層整體變形及供水管變形見(jiàn)圖4～圖8所示。
圖4 工況一地層整體及供水管變形圖
圖5 工況二（a）地層整體及供水管變形圖
圖6 工況二（b）地層整體及供水管變形圖
圖7 工況三（a）地層整體及供水管變形圖
圖8 工況三（b）地層整體及供水管變形圖
表2 各分析工況下供水管變形
經(jīng)分析，各工況下供水管（PCCP管接頭為雙膠圈）相對(duì)轉(zhuǎn)角滿(mǎn)足規(guī)范的允許轉(zhuǎn)角要求[4，5]。
3.3.3 參數(shù)敏感性分析
由于便橋條形基礎(chǔ)位于供水管回填土范圍內(nèi)，便橋運(yùn)行期整體變形受回填土壓縮模量影響較大，分別假定素填土層壓縮模量為1、5、10、15 MPa（表2計(jì)算結(jié)果采用的數(shù)值）時(shí)，對(duì)比地面整體變形及供水管變形量的變化，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，當(dāng)壓縮模量由大變小時(shí)（由15 MPa變至1 MPa），地層變形及供水管變形均逐漸增大，地層最大變形值增加了824%，而供水管變形值增加了82%。所以地基土整體變形對(duì)壓縮模量較敏感，而供水管變形雖然也增加，但換算相對(duì)轉(zhuǎn)角仍滿(mǎn)足規(guī)范要求。
表3 不同模量下工況一供水管變形
4 結(jié)論
利用三維有限元法分析了以條形基礎(chǔ)為支撐的施工便橋各種工況下對(duì)既有PCCP及PCP供水管的變形特性，論證了便橋跨供水管的可行性。
（1）各工況下，施工便橋引起的供水管的變形換算相對(duì)轉(zhuǎn)角符合規(guī)范要求。
（2）施工便橋基底的最大變形對(duì)土層變形參數(shù)較敏感，供水管的變形敏感性弱于基底土層的變形。
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陳小云，姚廣亮
（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635）
1 工程概況
深圳市東江水源工程，是為了解決深圳市東部地區(qū)城鎮(zhèn)的急需用水，由深圳市負(fù)責(zé)興建的II等大（2）型水利工程。工程從惠陽(yáng)境內(nèi)的東江和西枝江設(shè)抽水站取水，將原水送至深圳市東部的松子坑水庫(kù)等。沿途主要采用管道、箱涵和隧洞輸水，輸水線(xiàn)路全長(zhǎng)約56.6 km[1]。深圳市東部供水水源工程（一期）于1996年11月開(kāi)工，2000年6月通水試機(jī)，2001年正式投入運(yùn)行。深圳市東部供水水源工程（二期）于2006年開(kāi)工，2010年投入運(yùn)行。深圳市東部供水水源工程（二期）為一期的擴(kuò)建工程，是在一期工程的基礎(chǔ)上增加年取水量3.7億m3，使深圳市東部供水水源工程年供水量達(dá)至7.2億m3。
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圖1 施工便橋與供水管相互關(guān)系示意圖
2 工程地質(zhì)
交叉位置地層由上至下分別為：
（1）素填土層。黃褐色，稍密，成份主要以砂巖碎石混黏性土回填而成，層厚1.50～4.50 m。
（2）粉質(zhì)黏土?；液稚?，可塑，黏性一般、土質(zhì)較均勻，層厚2.2～4.70 m。
（3）中粗砂：灰褐色，稍密～中密，飽和狀，夾薄層粉細(xì)砂及少量礫石，級(jí)配一般，成份分選性較好，層厚0.90～5.80 m。
（4）礫砂?；尹S色，中密，飽和，主要為石英長(zhǎng)石，成份分選性較好，級(jí)配較差，層厚2.90～3.60 m。
（5）卵石。雜色，中密、飽和，粒徑20～60 mm，呈亞圓狀，主要為石英長(zhǎng)石，成份分選性較好，級(jí)配較差，層厚1.20～6.80 m。
（6）碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。紫褐色，泥質(zhì)粉砂結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造，風(fēng)化不均勻，夾中風(fēng)化巖，巖芯破碎，多數(shù)呈3-6 cm塊狀，局部夾短柱狀，埋深23.30～28.5 m，層厚6.90～11.90 m。
（7）砂土狀強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。黃褐色～紫褐色，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯呈砂土狀、碎塊狀，手捏易碎散，埋深22.40 m，層厚1.30 m。
3 施工便橋?qū)┧苡绊懹邢拊治?/h2>3.1 荷載及工況
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（1）工況一?？紤]同向兩輛車(chē)先后通過(guò)便橋（即每條便橋上各行走1輛施工車(chē)輛），將所有動(dòng)力荷載和靜荷載作用4條條形基礎(chǔ)上；
（2）工況二?？紤]不均勻作用影響，僅通行1輛施工車(chē)輛，車(chē)輛后部?jī)奢S作用在兩條供水管之間的一條條形基礎(chǔ)上，另外的軸作用在另外一條條形基礎(chǔ)上。該工況又分荷載分別位于左、右供水管兩種情況。
（3）工況三。后部?jī)奢S作用在4條條形基礎(chǔ)的外側(cè)基礎(chǔ)上，其他3條條形基礎(chǔ)僅承擔(dān)靜荷載。該工況又分荷載分別位于左、右供水管兩種情況。
各工況考慮荷載分布見(jiàn)表1，分析工況基礎(chǔ)示意圖見(jiàn)圖2。
表1 分析工況及荷載表
圖2 分析工況基礎(chǔ)示意圖
3.2 管道受力影響分析
便橋基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，橋面采用工字型鋼跨越，且工字型鋼與地面存在0.3 m的凈空，因此，便橋自重及橋面荷載均通過(guò)條形基礎(chǔ)傳遞。條形基礎(chǔ)寬b為1.4 m，高h(yuǎn)為1.8 m，橫跨位置PCP供水管覆土厚度2.3 m，條形基礎(chǔ)底與PCP管頂部距離Z為0.8 m；橫跨位置PCCP供水管覆土厚度2.2 m，條形基礎(chǔ)底與PCCP管頂部距離Z為0.7 m。Z/b均大于0.5，地基壓力擴(kuò)散線(xiàn)與垂直線(xiàn)的夾角θ為23°～30°[2，3]。
條形基礎(chǔ)基底壓力按23°～30°擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散的壓力都位于供水管下部或底部位置。因此，施工臨時(shí)便橋車(chē)輛荷載擴(kuò)散后，供水管本身的受力體系發(fā)生變化小，因此施工便橋?qū)┧軅?cè)向受力及變形影響較小。但是由于便橋增加的荷載通過(guò)條形基礎(chǔ)作用到管道底部后會(huì)增加地基的變形，從而影響管道的變形，需要通過(guò)分析計(jì)算確定附加荷載對(duì)管道變形的影響。
3.3 有限元法分析
3.3.1 分析模型
有限元模型采用地層結(jié)構(gòu)法進(jìn)行實(shí)際模擬。由于供水管實(shí)際上是以某固定長(zhǎng)度的管節(jié)通過(guò)承插接口連接，參考拼裝式結(jié)構(gòu)整體剛度折減的辦法，對(duì)供水管整體剛度按0.1E計(jì)算（E為管節(jié)本身的混凝土彈性模量）。整體模型見(jiàn)圖3。
圖3 有限元模型圖
3.3.2 有限元分析結(jié)果
經(jīng)計(jì)算，各工況下，地層整體變形及PCP管、PCCP管變形值如表2所示。表2中相對(duì)轉(zhuǎn)角是把供水管最大變形值假定為單節(jié)管的最大變位差求得。各工況計(jì)算的地層整體變形及供水管變形見(jiàn)圖4～圖8所示。
圖4 工況一地層整體及供水管變形圖
圖5 工況二（a）地層整體及供水管變形圖
圖6 工況二（b）地層整體及供水管變形圖
圖7 工況三（a）地層整體及供水管變形圖
圖8 工況三（b）地層整體及供水管變形圖
表2 各分析工況下供水管變形
經(jīng)分析，各工況下供水管（PCCP管接頭為雙膠圈）相對(duì)轉(zhuǎn)角滿(mǎn)足規(guī)范的允許轉(zhuǎn)角要求[4，5]。
3.3.3 參數(shù)敏感性分析
由于便橋條形基礎(chǔ)位于供水管回填土范圍內(nèi)，便橋運(yùn)行期整體變形受回填土壓縮模量影響較大，分別假定素填土層壓縮模量為1、5、10、15 MPa（表2計(jì)算結(jié)果采用的數(shù)值）時(shí)，對(duì)比地面整體變形及供水管變形量的變化，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可以看出，當(dāng)壓縮模量由大變小時(shí)（由15 MPa變至1 MPa），地層變形及供水管變形均逐漸增大，地層最大變形值增加了824%，而供水管變形值增加了82%。所以地基土整體變形對(duì)壓縮模量較敏感，而供水管變形雖然也增加，但換算相對(duì)轉(zhuǎn)角仍滿(mǎn)足規(guī)范要求。
表3 不同模量下工況一供水管變形
4 結(jié)論
利用三維有限元法分析了以條形基礎(chǔ)為支撐的施工便橋各種工況下對(duì)既有PCCP及PCP供水管的變形特性，論證了便橋跨供水管的可行性。
（1）各工況下，施工便橋引起的供水管的變形換算相對(duì)轉(zhuǎn)角符合規(guī)范要求。
（2）施工便橋基底的最大變形對(duì)土層變形參數(shù)較敏感，供水管的變形敏感性弱于基底土層的變形。
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