地下钢筋混凝土圆管涵优化分析.pdf
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1、第 o 8期 ( 总第 3 6 3期 ) 吉林水利 2 0 1 2年 0 8月 【 文章编号1 0 0 9 - 2 8 4 6( 2 0 1 2 ) 0 8 - 0 0 3 3 - 0 4 地下钢筋混凝土圆管涵优化分析 沈灵。 凌霄 ( 重庆交通大学河海学院, 中国 重庆4 0 0 0 7 4 ) 摘要】 针对钢筋混凝 土圆形管涵受力 问题 , 以某一码 头煤炭堆 场管涵作为研 究对 象。首 先, 对管涵初始设计 构造 进行应力分析 。 结果发现 当管涵上部 回填 土的厚度 高于 2 0 m时 , 现有规 范规 定的尺寸 已不再 符合实际工程要求 , 甚至会致使涵管遭破坏 。然后 。 根 据初
2、 始方案圆形管涵的体积最 小化问题, 通过有限元软件分析 , 优 化 出既安 全又 经 济 的 管涵 型 号 。 关键词 管涵 ; 体积最 小化 ; 有限元 ; 优化 ; 安全 ; 经济 中图分类号 6 7 2 2 0 引言 随着经济的迅猛发展 。地下埋管 已广泛应用 于水利 、 市政等工程 中。 其 中钢筋混凝土圆管涵 因 其施工简便 、 工期短 , 在码头堆场建设 、 水利、 公路 行业 中应用极为广泛 然而在其设计 中如何选择 其最优型式才能既发挥其最好的使用效果 。又可 避免 造 成施 工 问题 和 出现 管涵 开 裂 现 象 。是 工 程 界关注 的问题。本文针对某码头煤炭临时堆场的
3、 管涵设计实例 ,采用有限元软件对其 截面进行破 坏分析及截面优化 ,为类似码头堆场的管涵结构 的设计提供参考。 1工程概况 某码头煤炭临时堆场建设前场地地层 由第 四 系杂填土、残坡积粉质粘 土及冲洪积粉细砂及下 伏侏罗系中统 的砂泥岩组成。堆场整改项 目中包 含一段地下钢筋混凝土管道设计 。初 步设计管涵 截面如图 I 所示 。管涵全长 2 0 6 m, 每 5 m一段 , 根 据雨水流量 , 选取 直径 D = I 5 m的管涵 , 管顶 回填 土高度 Ho = 5 m。初步设计 , 1 5 m管径管涵 , 壁厚选 取为 1 1 5 ra m。 本项 目为煤炭堆场工程 , 与常规的排 文
4、献标识码 B 水管涵有所 区别 , 其上部承受高度为 5 m 回填 土土 压力及煤炭堆货荷载等 ,所 以有必要对管涵受力 破坏情况进行分析 。需对本 工程管涵进行相对应 的结构优化设计。 2 0 1 0 1 0钢蛙网宽 L _ , 搭 接 Kl o 0 l :2 5 水泥 砂 浆 户 。 捕 人 管蜒 诛 。 、 一 。 1 :2 5 水 泥 砂 浆 捻 相接 处 凿毛 , D g 2 0 0 ,7 一 , | C 2 0 砘 一 一一 i 熬勘 : 嚣 2 优 化模 型 图 1 管涵截面设计 图 2 1 模 型分 析 根据文献 1 】 对于低压钢筋混凝土管道管壁厚 度最低可取 0 1 2 D
5、, 则本工程 t m i n取 1 8 0 ra m, 且 圆 管涵的壁厚一般都小于 3 0 0 ra m, 所以管壁厚度 t 取 1 8 0 - - - 3 0 0 ram范围。当管壁厚度大于 l O O mm时 , 宜 配置双层受力环筋 ,环筋 的保护层最小厚度不应 【 收稿 日期2 O 1 2 O 4 6 作者简介 i ( 1 9 8 6 一 ) 。 女 , 福建省福 州市 硕 士研 究生, 重庆 交通大学河海学院港 口、 航 道及近海工程专业 , 主要研 究方 向为 港 口、 海岸 工程结构度基础。 一 33 吉林水利 地下钢筋混凝土圆管涵优化分析 沈灵等 2 0 1 2年 0 8月
6、小于 2 0 ram。 根据文献【 2 。 环筋的保护层最小厚度不 应大于 3 5 m m。 环向钢筋的净距不应小于 2 5 n m a , 纵 向钢筋一般可按构造配置。埋管管道混凝 土采用 12 2 5 砼。 钢筋采用 Q 2 3 5 , 双筋布置。上部回填土为 粘性土 。基础采用 C 2 0砼 坐垫 , M7 5浆砌 片石基 础。设管壁厚度为 t , 根据 以上数据 , 得到相应的数 学优化模 型, 目标 函数极小化, 每延米管涵混凝土 体积最小化 : m i n V= 仃 ( R+ 力 - R x l = 3 1 4 ( 0 7 5+ 力 一 0 5 6 2 5 ( 1 ) 2 2 约束
7、条 件分 析 几何约束条件为: 1 8 0mm t 3 0 0mm 考虑在最不利荷载组合 条件下 ,管 涵的三个 控制截面( 管顶、 管侧 、 管底) 上各控制点的环 向应 力 。 均限制在许可的应力范围之内。 应力约束条件为 : l = 1 7 5 MP a ( 2 ) o - 2 = 1 7 0 MP a ( 3 ) 式 中: 为控制点的实际环向应力 ; 、 为混 凝土容许拉 、 压应力 , 混凝土抗拉强度一般约为极 限抗压 强度 的 1 1 0 。 对于地下钢筋混凝土压力管来说 ,在正常使 用状态下 。 不允许出现裂缝 , 钢筋与混凝土之间始 终保持共同变形 。 钢筋的应力水平不高 ,
8、远远高于 混凝 土的抗拉极限强度 ,因此在应力约束条件中 无需加入对钢筋应力的强度约束 3 。 钢筋混凝土管属于刚性管 ,当其横截面形状 改 变量 不 超过 0 1 管 径 时 , 一般 不会 出现裂 缝 。 为了限制裂缝开展则需满足变形约束条件 : 0 1 D= 1 5 m m( 4 ) 式中: 为管直径方向最大变形。 3 荷载计算 3 1 竖向土压 力计算 管道为下埋式管道 ,管顶竖向土压力标准值 按下式计算 : = ( 5 ) 式中 : 凡 为每延米管道土的管顶竖 向土压力 ( k N , m 2 ) ; 为 回填土的重力密 度( k N m 3 ) , 本 工程 管涵埋设在地下水位以上
9、 ,故可取 1 8 k N , m 3 ; 4 , 为 自设计地面至管顶的深度( n 1 ) , 此处取 5 m; k 为填 3 4 埋式土压力系数 。 取 1 4 。 3 2 侧 向土压力计算 作用在地下管道上的侧 向土压力标 准值 , 应按静止土压力计算 。侧 向土压力沿圆形管道管 侧的分布可视为均匀分布,其计算值可按管 中心 处确定 。采用 r K 克列恩的矩形分布假定c , 其合 力标准值按公式( 6 】 计算 : = a 0 H 0 t a n(4 5 。 一 孚)D 1 ( 6 ) 式中: 为管侧土压力标准值( k N m) ; 为回 填土的重力密度( k N m3 ) , 取 1
10、 8 k N , m 3 ; 凰 为 自设计 地面至管中心处 的深度( m) ,本项 目取 5 7 5 m; D 为圆管外径 , D = D + 2 t , t 为管壁厚度; a o 为涵管突出 比 管顶至 C 2 0砼基础距离与管外径之比, 为 0 5 ; 为内摩擦角, 粘性土取 3 0 。 。 3 3 管节自重产生的垂直压力计算 G = ( 7 ) 式 中: G为管节 自重产生的垂直压力 ( k N m) ; 为管材容重 ( k N m 3 ) , 取 2 5 k N m 3 。 3 4堆货 荷载计 算 根据文献 4 后方堆场堆货 ( 煤 )荷载 为 5 0 K P a , 按均布荷载计算
11、。 3 5 内水 压 力 文献 5 中提及 管壁厚度与管 内受到 的均匀 水压力之间存在关系, 由拉梅( L o m e ) 公式移项化简 得 出 : 一 P 删 P 删 即 t x t f , J( 8 ) 式中: 为均匀内水压力设计值 , N m m 2 ; , : 为混凝土的抗拉强度设计值 , N m m , 本项 目 图 2 管涵受力分 析图 吉林水利 地下钢筋混凝土圆管涵优化分析 沈灵等 2 0 1 2年 O 8月 到 2 O m,其受到的拉应力 已超出了混凝土的容许 拉应力值 , 结构将遭受破坏。 4 2 优化模型分析 根据约束条件 , 采用零 阶方法 , 利用有 限元软 件优化模
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