基于ANSYS的沉管隧道管段内力三维有限元分析

ansys 分析沉管隧道

第17卷 第4期 湖 南 城 市 学 院 学 报 （自然科学版） Vol. 17 No.4 2008年12月 Journal of Hunan City University （Natural Science） Dec. 2008

基于ANSYS的沉管隧道管段内力三维有限元分析

刘 霁1,2，陈建宏1

（1．中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083；2．湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000）

摘 要：为简化沉管隧道管段内力的计算并能得出合理的计算结果，方便结构设计，提出了利用ANSYS有限元软件对沉管隧道管段进行内力三维有限元分析．通过工程实例数据，建立模型、划分网格、施加边界条件和计算荷载，分析得出了合理的计算结果，可以为以后的沉管隧道设计提供参考．

关键词：ANSYS；沉管隧道；管段；内力；三维有限元

中图分类号：U455.46 文献标识码：A 文章编号：1672–7304(2008)04–0001–03

沉管隧道是预制管段浮运沉放法的简称．施工时，将拟建隧道的水底部分分成若干管段，先在干坞或船上整体制作成型，两端封闭后浮运至隧道位置，然后使其下沉到预先挖掘好的沟槽中，并在水下进行管段间的连接，最终形成整条隧道．此方法是水底隧道最主要的施工方法之一．

目前，用于地下空间结构的内力计算方法大致可以分为3大类[2]：基于地层压力理论的荷载结构法；基于地层应力理论的地层结构法；基于洞周位移量测值反馈设计衬砌结构的收敛限制法．后2类方法，由于存在较多的随机因素和对操作人员要求较高等原因，一般很少被工程设计人员所采用；而第1类方法，计算参数内涵简单而明了，所涉及的不确定因素相对较少，在工程中应用最多最普遍．随着有限元计算方法和技术的提高，计算方法的分析思路可以在数值模拟环境中实现，可节省计算时间和减少计算难度，还可以对结构的力学行为进行仿真模拟．本文利用ANSYS有限元分析软件[3-5]，以宁波常洪沉管隧道工程实际数据，进行沉管隧道管段三维数值分析，为今后管段的设计及研究提供参考．

[1]

图1 实体模型

1.2 网格划分

在进行网格划分前先设定单元形式及材料特性．本文定义单元类型为SOLID45，材料弹性模量为E＝3.55×104 MPa，泊松比取0.2，材料密度取2.5 kg/m3．以六面体网格形状划分网格，X方向外边界线划分30个单元；Y 方向外边界线划分12个单元；Z方向外边界线划分60个单元；横断面单元3等分顶板、底板和墙厚度，在模型拐角处进行网格加密（如图2所示）．

图2 部分模型网格划分图

1 有限元分析模型的建立

1.1 实体模型

本文以宁波常洪沉管隧道工程数据为参考，选江中部管段进行内力分析．该管段纵向长100 m，横断面尺寸为22.8 m×8.45 m，底板厚1.2 m，顶板厚1.15 m，侧墙厚0.95 m，中隔墙厚0.55 m（如图1所示）．

1.3 荷载计算

1.3.1 水文条件及工程地质

宁波常洪沉管隧道工程所处地甬江，该处河段的平均高潮位为1.28 m，平均低潮位为-0.48 m；历年最高潮位3.31 m，历年最低潮位-1.72 m；最大涨潮流速为1.3 m/s，最大落潮流速为1.2m/s．根据水文测验结果，当水温29 ℃时，水的平均密度为996.7 kg/m3，高潮时的平均含盐度为0.51‰，水体最大含沙量为0.439 kg/m3．江中段隧道穿越灰色淤泥、灰色淤泥质黏土，部分还遇到灰色粉

收稿日期：2008-05-20

基金项目：国家自然科学基金项目（50774092）；全国优秀博士学位论文专项资金资助项目（200449） 作者简介：刘霁（1974）男湖南常德人副教授

博士研究生主要从事建筑施工管理和环境与资源经济学的研究

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湖 南 城 市 学 院 学 报（自然科学版） 2008年第4期

质黏土．

1.3.2 荷载计算

顶板受上方水压力、覆土荷载和顶板自重的作用；底板受活荷载、底板自重、浮力和地基反力作用；侧墙荷载包括水压力、土压力和侧墙自

浮力+地基反力

图3 横断面荷载图式

（1）顶板上表面水压力．管段结构设计按百年一遇水位+3.71 m计算，顶板上表面标高-9.67 m，水的平均密度为996.7 kg/m3，重力加速度取9.8 m/s2，故顶板上表面水压力荷载为

P1=ρgh1=0.134 MPa

． （2）顶板上表面土压力．顶板覆土厚度H取2.5 m，土质容重r＝1.69 kN/m3，由计算公式q=r?H[3]计算得顶板上表面土压力为4.225 kPa．

（3）侧墙水压力．侧墙水压力荷载为梯形分布，按压强公式P=ρgh计算得出，在Y＝0处水压下荷载为2.09 MPa，沿Y方向以梯度-97.7 kPa递减．

（4）侧墙土压力．按土质平均容重r＝1.69 kN/m3、内聚力c＝9 kPa、摩擦角?＝2.52°计算，则侧墙土压力呈梯形分布．采用朗金土压力计算公式[1]eax=(

∑γihi

)K

a

?2ciKa．式中，主动

土压力系数Ka按Ka=tan(45°?

?i

2

计算得出，

Y=0处侧土压力为159.5 kPa，沿Y轴方向以梯度-16.2 kPa递减．

（5）底板下表面浮力．以压强公式计算得出底板浮力荷载为2.09 MPa．

（6）底板上表面活荷载．设计车辆荷载为，汽-超20级，挂-120．参考文献[6-7]计算得出底板上表面活荷载为204.7 kPa． 1.4 边界条件

本工程基础采用桩基，排距为5～8 m，每排

4根桩，其中2根位于侧墙下；2根位于中隔墙下．根据此条件对模型施加约束条件，在侧向和中隔墙下节点位置沿Z轴方向，每隔4个单元施加全约束．

2 计算结果及讨论

X、Y、Z 3个方向应力、应变如图4～10所

示．由计算结果可以看出在底板与桩基接触面处，由于应力集中，产生应力、应变最大，最大应力分别为：X方向，58.5 N/mm2；Y方向，43.9 N/mm2；Z方向，20.9 N/mm2．最大应变分别为：X方向，1.542 m；Y方向，0.806 m；Z方向，0.276 m．底板在距侧墙3.77 m处产生最大变形，位移 为 1.19 mm

（见图4～10）．

图4 X方向应力图云

图5 Y方向应力图云

图6 Z方向应力图云

图7 X方向应变图云

图8 Y方向应变图云

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第17卷

刘 霁等：基于ANSYS的沉管隧道管段内力三维有限元分析

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底板之间的拐角处，产生压应力，在此处需加配钢筋量，防止结构破坏．

3 结论

图9 Z方向应变图云

本文利用ANSYS有限元软件强大的建模、分析计算和图形处理功能，对沉管隧道管段进行内力三维有限元分析，并通过工程实例分析得出了合理的计算结果，可以为以后的沉管隧道设计提供参考．但为计算简便，节省计算占用内存时间，本文没有考虑温度应力、抗震要求以及意外

荷载对结构的影响，今后还要进一步完善．

参考文献：

[1]黄绍铭, 高大钊. 软土地基与地下工程[M]. 第2版. 北京: 中国建筑工业出版社, 2005.

[2]石广斌. ANSYS在隧道衬砌结构分析中的应用[J]. 水工与施工, 2004, 15(1): 15-17.

[3]程进, 沈旭东, 孙斌, 等. 基于ANSYS的预应力混凝土曲线梁桥三维施工仿真分析[J]. 公路交通科技, 2007, 24(4): 108-112. [4]邹辉, 张燎军, 王海青, 等. 基于ANSYS的碾压混凝土拱坝抗震分析[J]. 东北水利水电, 2006, 24(6): 16-18.

[5]徐加慧, 夏立新, 吴金虎, 等. 基于ANSYS的框架变形分析及优化设计[J]. 机械制造, 2004, 42(4): 19-21. [6]JTG D70-2004, 公路隧道设计规范[S]. [7]JTG D60-2004, 公路桥涵设计通用规范[S].

图10 管段变形图

由于在这些点上以全约束方式施加边界条件，计算结果存在一定误差，但可以反映实际应力分布情况．工程在管段基础处理时，桩基为预应力混凝土方桩，断面为600 mm×600 mm，桩上部设Φ750的钢筋桩，桩顶与管底通过灌浆囊袋连接，使管段的荷载通过囊袋传至桩基．

受水土压力的作用，顶板和底板受到很大的拉应力，使混凝土产生拉伸破坏．在受拉区需配适当强度的钢筋，增强结构抗拉、抗弯能力．在侧墙与顶板、底板之间的拐角处中隔墙与顶板、

Internal Forces of a Analysis of Pipe Section in the Tube Tunnel by the Finite

Element Software ANSYS

LIU Ji1,2，CHEN Jian-hong1

（1. School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha, Hunan 410083, China; 2. College of Civil Engineering,

Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China）

Abstract: In order to simplify computing internal forces of pipe section in the tube tunnel, to find reasonable result and to structure design, the paper introduced that we analyzed internal forces of pipe section in the tube tunnel by the Finite Element Software ANSYS. According to project data, the authors analyzed and obtained rational result by establishing the model, the dividing method for grid, applying the boundary construre.

Key words: ANSYS; the tube tunnel; pipe section; internal forces; finite element of three dimenition

（责任编校：陈健琼）