大型复杂地下涵洞有限元应力分析

大型复杂地下涵洞有限元应力分析

程正飞

（天津大学建筑工程学院 天津 300072）

摘要：为分析某大型地下涵洞真实应力状态，建立有限元精细模型，采用有限元应力分析模型对其应力场分布进行数值模拟。结果表明，该地下涵洞进口段、中段以及出口段均出现拉应力，涵洞顶板普遍存在拉应力区，易造成混凝土开裂，对涵洞结构安全不利。

关键词：大型地下涵洞，应力场，有限元分析，精细建模

1 引言

应力分布状况直接影响地下涵洞的安全稳定^[1-2]。目前在地下涵洞应力分析中，通常将地基应力简化为均匀分布荷载考虑，但实际上，地基土与涵洞之间的应力分布与均匀分布荷载之间存在较大差异^[3]，并且，由于地质条件和工程结构的复杂性与隐蔽性，使得大型地下涵洞应力场分布更加复杂^[4-5]。

某地涵规模庞大，且有四条河流流经该地涵，洞身相当于受到四条河流形成的多向渗流场作用，运行条件复杂，稳定安全影响因素多。为掌握该地涵洞身及其周围土体真实应力状态，建立了三维整体精细计算模型，采用有限元应力分析模型对其进口段、出口段以及中段的应力场进行数值模拟，并重点关注各段拉应力大小与出现位置，以期为工程安全评估提供科学依据。

2 计算模型与计算工况

2.1 计算模型

取整个洞身段和一定范围的河床及基础作为研究对象，建立计算模型^[6]，如图1所示。模型范围为：顺河方向，自洞身段向上下游各延伸100m；顺洞身长度方向，自洞身进出口断面向上下游各延伸150m；竖直方向，从堵洞体底面向下延伸150m。

①整体有限元网格 ②洞身细化网格

③上游进口处有限元网格 ④下游出口处有限元网格

图1 计算模型

2.2 计算工况

根据工程调度运行方式，选定计算工况如下：地涵上部为一号河，特征水位13.44m；地涵高三孔为二号河流，排涝水位9m；地涵低九孔为三号河流，排涝水位8.6m；地涵下游侧为四号河流，排涝水位7.8m。

3 结果分析

图2为涵洞进口段第三主应力分布云图。由图可见，拉应力主要出现在涵洞进口段顶板靠立墙附近，最大值约为235.42kPa。

图2 涵洞进口段第三主应力分布云图

图3为涵洞中段第三主应力分布云图。由图可见，拉应力主要出现在涵洞顶拱处，最大值约为167.95kPa，数值较进出口处小，其原因除了受力大小之外，还与其结构形式有关。

图3 涵洞中段第三主应力分布云图

图4为涵洞出口段第三主应力分布云图。由图可见，拉应力主要出现在涵洞进口段顶板靠立墙附近，最大值约为318.54kPa，底板跨中也有一定的拉应力，最大值约173.2kPa。拉应力较进口段稍大，其主要原因是涵洞出口段埋深大于进口段埋深。

图4 涵洞出口段第三主应力分布云图

4 结论

为掌握某大型复杂地涵洞身及其周围土体真实应力状态，建立了三维有限元精细模型，并进行了应力场模拟分析。结果表明，涵洞进口段、中段以及出口段均存在拉应力，各段最大拉应力值分别为235.42kPa、167.95kPa、318.54kPa，主要发生在涵洞素混凝土顶板处，且大部分顶板均受拉，形成拉应力区，不利于涵洞安全运行。

参考文献：

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