2018, Vol. 51文章信息
- 陈乾, 赵倩, 郝嘉凌, 孙雷
- CHEN Qian, ZHAO Qian, HAO Jialing, SUN Lei
- 基于ANSYS的新型竹隔堤结构受力特性计算
- Force characteristics study of new bamboo embankment structure based on ANSYS
- 武汉大学学报(工学版), 2018, 51(11): 963-969
- Engineering Journal of Wuhan University, 2018, 51(11): 963-969
- http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2018-11-004
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文章历史
- 收稿日期: 2017-12-28
2. 河海大学研究生院，江苏 南京 210098;
3. 中交四航工程研究院有限公司, 广东 广州 510230
2. Graduate School of Hohai University, Nanjing 210098, China;
3. CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co., Ltd., Guangzhou 510230, China
围涂工程围区吹填造地时先采用隔堤划分区域，再吹填疏浚土到各个分区内，用于分区的隔堤使用年限仅需3年，隔堤结构传统采用抛石堤或袋装砂堤，不仅造价较高且完工后废弃，材料不能重复利用[1]，所以期望能有替代传统分区隔堤围埝结构的新型挡泥结构.毛竹作为绿色材料，其物理力学性能良好，抗震能力、抗弯抗扭能力较强[2-12].因为围涂工程所在地盛产毛竹，采用竹结构隔堤替代传统隔堤，有利于降低工程造价，有利于围区水土保持和生态环境保护[13, 14].
台州东部新区围区涂面整理工程围区外为东海台州湾海域，整个围区呈矩形，东西长约2 500 m，南北宽约9 500 m.从北到南分为北区、中区和南区，需要设置分区竹隔堤(挡泥和施工排水)，并对竹隔堤两侧同时进行吹填造地，吹填土为海域淤泥质疏浚弃土，最大吹填高度为4.5 m.
基于ANSYS软件，采用有限元方法，不考虑吹填土(水)体的动态固化效应，建立竹隔堤结构计算模型，在最不利工况下分析与研究竹隔堤结构要素(横撑位置、斜撑位置、形成竹隔堤结构的排架跨度(间距)和排架榀数)变化对其变形影响及其撑杆受力特性.
1 竹隔堤结构计算模型的建立毛竹外径为12 cm，内径为10 cm.竹隔堤结构以毛竹作为竖向支撑和水平横撑、斜撑组合形成框架结构(图 1、2)，建立竹隔堤结构计算模型时考虑了以下参数[15].
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| 图 1 排架跨度为4 m的竹隔堤结构断面图(单位：m) Fig. 1 Sectional layout of bamboo dam structure with bay spacing of 4 m (unit:m) |
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| 图 2 竹隔堤结构的三维示意图 Fig. 2 Three-dimensional schematic diagram of bamboo dam structure |
1) 毛竹材料：弹性模量取15 GPa，泊松比取0.34，顺纹抗拉强度180 MPa，抗压强度80 MPa.
2) 竹隔堤尺度：竖向竹支撑露出地面以上5 m，嵌入地基土以下7 m，地基取35 m×15 m矩形，并在吹填侧采用竹笆排和涂塑编织布用于挡土.
3) 吹填土重度取16 kN/m3.
4) 最不利控制工况：竹隔堤结构中间为空，两侧为吹填土，吹填土高4.5 m(以原有泥面相对高程为0计算).
根据竹结构的变形和受力情况，在最不利控制工况下，选用Pipe 20单元.模型建立的基本参数包括2个节点、管外径、壁厚、Optional stress factor和各项同性材料特性.简化地基，地基以及填土采用SOLID 45单元.竹构件相接处或相交处都采用镀锌铁丝绑扎连接[16].竹隔堤结构与地基之间的相互作用，引入接触单元进行模拟.ANSYS支持刚体-柔体的面-面接触单元，相当于无厚度的Goodman单元.刚性面用Targe 170来模拟3-D的“目标”面，柔性面用Conta 174来模拟“接触”面.竹隔堤计算建模如图 3(以吹填高度为4.5 m为例)所示.
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| 图 3 竹隔堤结构吹填土高度4.5 m计算模型图 Fig. 3 Bamboo dam structure model for filling height of 4.5m |
主要考虑撑杆的不同位置对竹隔堤结构变形的影响.在最不利控制工况下，即1次吹填土(水)高度达4.5 m，先计算分析不同位置横撑结构对竹隔堤结构变形的影响；基于此，再布置不同位置斜撑结构，分析斜撑构件对竹隔堤结构变形的影响；最后计算研究组成竹隔堤结构的排架跨度和排架榀数对竹隔堤结构整体变形的影响.
2.1 横撑位置变化对结构变形的影响竹隔堤结构顶端横撑的位置取与吹填土高程相同(即4.5 m)；先假设底端下横撑高程位置在原泥面线以上1.5 m处，为了解中间横撑对整体竹隔堤结构的变形影响，在顶端与底端下横撑间考虑11个位置，高程分别为2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4和3.5 m，相应建立11个计算模型；经计算确定了中间横撑位置之后，再考虑底端下横撑位置变化对整体竹隔堤结构变形的影响.为此，下横撑位置变化亦考虑11个位置，高程分别为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9和2.0 m，也相应建立11个计算模型；在控制最大吹填高度、顶端横撑位置不变，中间横撑、底端下横撑位置组合变化下，采用ANSYS软件计算竹隔堤结构的变形值，结果见表 1、图 4、图 5.
| 中间横撑相对高程/m | 最大变形量/cm | 底端横撑相对高程/m | 最大变形量/cm |
| 2.5 | 30.68 | 1.0 | 56.05 |
| 2.6 | 29.71 | 1.1 | 46.52 |
| 2.7 | 29.12 | 1.2 | 38.60 |
| 2.8 | 28.25 | 1.3 | 32.09 |
| 2.9 | 27.49 | 1.4 | 27.25 |
| 3.0 | 26.67 | 1.5 | 26.20 |
| 3.1 | 26.20 | 1.6 | 31.86 |
| 3.2 | 26.67 | 1.7 | 38.55 |
| 3.3 | 29.92 | 1.8 | 45.31 |
| 3.4 | 33.62 | 1.9 | 53.19 |
| 3.5 | 37.81 | 2.0 | 61.49 |
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| 图 4 中间横撑位置高程3.1 m、底端下横撑位置高程1.5 m时竹隔堤结构变形图 Fig. 4 Bamboo dam structural deformation diagram of middle cross bracing position height 3.1 m, bottom end under the cross position elevation 1.5 m |
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| 图 5 横撑位置变化与竹隔堤结构最大变形量关系图 Fig. 5 Relationships between positional variation of brace and maximum strain of bamboo embankment structure |
计算结果表明，中间横撑和底端下横撑结构变形量较小，主要变形方向与水平土压力垂直.竹隔堤结构的最大变形量主要集中在与两侧吹填土接触的竖向竹支撑上，方向主要体现在水平土压力方向.中间横撑和底端下横撑的位置与结构的最大变形量都大致呈下凸抛物线的关系，横撑位置越不合理，横撑自身的变形和整个结构的最大变形量越大.当下端横撑固定时，随着中间横撑位置由下往上变化，竹隔堤结构的最大变形量先减小后增大，中间横撑高程在3.1 m时，结构最大变形量最小，为26.20 cm.同理，当中间横撑位置固定时，底端横撑位置由下往上变化，结构变形量也是先减小后增大，高程在1.5 m时，结构最大变形量最小，为26.20 cm.根据计算结果，中间横撑位置选在3.1 m处，底端横撑位置选在1.5 m处.
2.2 斜撑位置变化对结构变形的影响竹隔堤框架结构的斜撑布置采用对称式(可用单个斜撑或剪刀斜撑)，计算时分别建立无斜撑、1对斜撑、2对斜撑、3对斜撑、4对斜撑5个模型，通过ANSYS软件计算竹隔堤结构的变形值.计算结果如表 2、图 6、图 7所示.
| 斜撑对数 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 结构最大变形量/cm | 26.20 | 19.98 | 19.91 | 19.17 | 19.07 |
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| 图 6 斜撑对数与竹隔堤结构最大变形量关系图 Fig. 6 Relationship between number of braided braces and maximum strain of bamboo dam structure |
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| 图 7 斜撑变化时竹结构变形图 Fig. 7 Bamboo structure deformation diagram when bracing change |
计算结果表明，斜撑本身的变形量较小.在最大吹填高度下，随着斜撑个数的增加，竹隔堤结构的最大变形量减少，从无斜撑到1对斜撑时，减幅最大为23.7%，依次增加斜撑后，竹隔堤结构最大变形量基本不变.斜撑结构不仅提高竹隔堤结构的整体稳定性，同时减少结构的变形，所以也是必不可少的构件.从竹隔堤结构整体安全性出发，4对斜撑是最安全的结构形式; 从工程造价方面而言，在满足构造要求的前提下，竹隔堤结构材料用料越少越好.引入结构灵敏度的概念，比较不同斜撑个数布置方案之间的变形关系：
其中：ω为结构灵敏度；γi、γi+1为结构最大变形量.
经计算得出在2对对称斜撑时灵敏度最小，为0.35%，结构型式最优.
2.3 排架跨度变化对结构变形的影响分别建立排架跨度为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m的模型，利用ANSYS软件计算结构变形，计算结果如表 3、图 8、图 9所示.
| 排架跨度/m | 2.5 | 3.0 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 |
| 结构最大变形量/cm | 20.07 | 20.94 | 21.84 | 23.06 | 31.70 | 52.65 |
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| 图 8 排架跨度与结构最大变形量关系图 Fig. 8 Relationship between spacing between the row and maximum strain of bamboo embankment structure |
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| 图 9 排架跨度变化时竹结构变形图 Fig. 9 Bamboo structure deformation diagram when bay spacing changes |
计算结果表明，在控制最大吹填高度下，竹隔堤结构变形量随着排架间距的增加先以约4.9%的增幅增大，跨过4.0 m临界点之后变形量陡增，增幅最高达66.1%.产生这种现象的原因是排架间距过大，横撑长度加长，在受到吹填土压力时横撑杆件受弯，导致结构的最大变形量增大，承受水平土压力的能力减小.排架间距虽然越小变形量越小，但工程造价越大.根据计算结果，为充分发挥杆件的受力特性选择间距为4.0 m的排架.
2.4 排架榀数变化对结构变形的影响对竹隔堤结构分别建立排架跨度均为4.0 m，排架榀数为2榀1跨、3榀2跨、4榀3跨、5榀4跨、6榀5跨、7榀6跨6个模型，通过ANSYS研究排架榀数对结构变形的影响.计算结果如表 4、图 10、图 11所示.
| 排架榀数 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 结构最大变形量/cm | 18.62 | 20.09 | 21.62 | 23.06 | 24.36 | 25.56 |
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| 图 10 排架榀数与结构最大变形量关系图 Fig. 10 Relationship between number of stalls and maximum strain of structure |
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| 图 11 榀数变化时竹结构变形图 Fig. 11 Bamboo structure deformation diagram when the number of stalls changes |
计算结果表明，在控制最大吹填高度下，随着排架榀数的增加，竹隔堤结构宽度也增加，竹隔堤结构变形量大致呈线性增长，增长量约为1.5 cm，即跨度不变时，每增加1榀，竹结构变形约为6.7%.为满足竹隔堤的使用宽度要求，选择5榀4跨的竹隔堤结构.
3 竹隔堤结构受力特性计算对计算确定的竹隔堤结构型式，采用ANSYS软件，计算分析在最不利工况时竹结构变形量及其内力(弯矩、剪力、轴力)，计算结果见表 5、图 12.
| 吹填高度/m | 最大变形量/cm | 最大弯矩/(kN·m) | 最大剪力/kN | 最大轴力/kN |
| 4.5 | 23.06 | 107.0 | 432.2 | 767.6 |
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| 图 12 最大吹填高度下变形及受力特性 Fig. 12 Deformation and force characteristics of maximum filling height |
计算结果表明:
1) 竹隔堤结构的变形主要集中在与两侧吹填土接触的竖向竹支撑上，方向主要体现在水平土压力方向.中间的竖向支撑、横撑及斜撑变形量相对不大.
2) 在相对高程-1~1 m之间、与吹填土接触的两侧竖向竹支撑，易发生受弯破坏.弯矩沿竖向竹支撑向下传递，传递到相对高程-4.0 m处，弯矩为0.
3) 在底端横撑与两侧竖向支撑连接处、斜撑与两侧竖向支撑最下端连接处，易发生受剪破坏.
4) 轴力主要分布在横撑上面.最大轴力构件是最下端横撑(易发生受压破坏)，其次为中间横撑，最小为上端横撑.同等工况下，轴力值要大于剪力值.
5) 最易发生破坏的部位出现在原泥面附近的最外侧竖向竹支撑处.由于土的约束作用，相对高程0~-1 m之间的竖向竹支撑变形不是很大，但弯矩比较大，由于结构的弯矩和变形不协调，易发生炸裂破坏和扭转破坏，一旦出现这2种破坏，竹隔堤结构就不能再满足工程需要.所以，施工中对这些破坏敏感部位的保护尤为重要.
4 结论1) 竹隔堤结构的主要受力构件是横撑和竖向竹支撑.横撑主要受力形式为轴力，主要破坏形式是受压破坏.竖向竹支撑(主要是与吹填土接触的最外侧竖向竹支撑)主要受到弯矩和剪力的影响，主要破坏形式为受弯破坏和扭转破坏.
2) 竹隔堤结构最易破坏的位置为涂面与竖向竹支撑的交界面.该处若出现破坏，会导致结构整体失稳和破坏，实际工程中需对此处进行加固.
3) 竹隔堤结构变形主要集中在竖向竹支撑，方向主要在总水平力方向，变形最大值为23.06 cm(隆起).变形最大的位置在最外侧竖向竹支撑上，一般在相对原泥面高程1 m左右处，与结构受弯和受剪出现变形最大的位置相同.
4) 竹隔堤结构的斜撑不是主要受力结构，其受到的弯矩、轴力、剪力都比较小.但是斜撑将竹隔堤结构连接成整体，可减小结构的变形.
5) 文中给出了横撑结构布置、斜撑结构布置、排架跨度(间距)和排架榀数各个影响因素对结构变形的影响曲线，类似工程中的竹结构可根据这些曲线进行选型、优化设计.
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