基于荷载—结构法的沉管隧道ANSYS有限元分析研究 基于荷载—结构法的沉管隧道ANSYS有限元分析研究
白海洋1，王正仲2
（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000；2.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033）
摘要：为研究沉管隧道在水底的受力与变形特征，利用ANSYS有限元软件建立了基于荷载—结构法的二维沉管隧道模型。通过分析变形与受力云图得到结论：（1）顶板跨中位置竖向变形最大，底板中墙位置变形最大；（2）弯矩最大值出现在顶板中墙位置，剪力最大值出现在顶板跨中位置，轴力最大值出现在中墙位置。
关键词：沉管隧道；有限元；变形与受力
引言
关于沉管隧道受力与变形特性的研究方法主要有公式法、模型试验法、数值计算法。其中，数值计算可以避免繁琐的公式与高昂的试验成本，使用个人计算机便可以较为准确地模拟实际工程中的物理变化过程。程乐群等［1］综述了国内外沉管隧道的发展现状；岳夏冰等［2］利用离心模型试验，研究了沉管隧道在施工过程中的应变特征；武义凯等［3］通过ANSYS有限元软件，对沉管隧道进行了模拟，得到了沉管隧道的应力应变分布情况；丁文其等［4］通过ABAQUS有限元软件件，研究分析了沉管隧道的整体沉降以及沉管接头的相对变形。
1 工程简介
研究双向八车道加一摩托车道的沉管隧道，结构见图1。其防锚层钢筋混凝土厚15 cm，常水位水深30 m ，回填覆土厚度1 m（回填土的浮重度为9 kN/m3，内聚力c=24.2 kPa，内摩擦角）。
图1 隧道横断面（cm）
2 荷载计算
结构顶板面之上的水压力为301.35 kN/m2。防锚层自重压力为3.75 kN/m2。回填土自重压力为9 kN/m2。
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管段总高8 m，故管段侧墙底部所受水压力为381.71 kN/m2。回填土的浮重度r=9 kN/m3，内聚力C=24.2 kPa，故主动土压力系数：
式中：ϕ—内摩擦角。
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2.1 沉管段侧墙顶部所受土压力
式中：r—回填土的浮重度，kN/m3；h—防锚层钢筋混凝土厚度与回填覆土厚度之和，m；C—内聚力，kPa。
沉管段侧墙顶部所受土压力小于零，取为0。
2.2 沉管段侧墙底部所受土压力
式中：r—回填土的浮重度，kN/m3；h—防锚层钢筋混凝土厚度、回填覆土厚度与隧道高度之和，m；C—内聚力，kPa。
2.3 计算结果
W0=314.10 kN/m；E1=301.35 kN/m；E2=388.18 kN/m；结构顶板面之上的水压力为301.35 kN/m2；防锚层自重压力为3.75 kN/m2；回填土自重压力为9 kN/m2；管段侧墙底部所受水压力为381.71 kN/m2；沉管段侧墙底部所受土压力为6.47 N/m2。横断面结构见图2。
红寺堡地区的移民开发可以追溯到汉代时期，甚至更远，红寺堡地区的人口迁入和迁出，就形成了迁移活动。红寺堡现辖区域由同心县新庄集乡、同心县韦州镇、中宁县、吴忠市利通区等地规划组成。
图2 横断面结构计算
3 有限元模型的建立与分析
应用ANSYS有限元软件软件建立基于荷载—结构法的计算模型见图3。计算模型中，沉管隧道结构采用梁单元模拟，弹性抗力以及隧道底部地基均采用弹簧单元模拟。
图3 基于荷载—结构法的计算模型
经ANSYS有限元分析得沉管隧道的变形图，弯矩图，剪力图和轴力图见图4～图7。通过ANSYS有限元软件计算分析可以看出，顶板跨中位置竖向变形最大，底板中墙位置变形最大；弯矩最大值出现在顶板中墙位置为Mmax=3 266.3 kN·m；剪力最大值出现在顶板跨中位置为Vmax=1 314.9 kN；轴力最大值出现在中墙上。
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图4 沉管隧道变形
图5 沉管隧道弯矩
图6 沉管隧道剪力
图7 沉管隧道轴力
4 结语
利用ANSYS有限元软件建立了基于荷载—结构法的二维沉管隧道模型。通过分析变形与受力云图得到结论：（1）顶板跨中位置竖向变形最大，底板中墙位置变形最大。（2）弯矩最大值出现在顶板中墙位置，剪力最大值出现在顶板跨中位置，轴力最大值出现在中墙位置。值得指出的是，将沉管隧道模型进行了简化处理，所得结论仅仅可以用作沉管隧道的设计。
参考文献：
［1］程乐群,刘学山,顾冲时.国内外沉管隧道工程发展现状研究［J］.水电能源科学,,26(2)：112—115.
［2］岳夏冰,谢永利,张宏光,等.沉管隧道离心模型试验及数值模拟［J］. 工业建筑,,43(6)：84—89.
［3］武义凯,谢永利.沉管隧道的ANASYS三维有限元分析研究［J］.西安科技大学学报,,34(3)：296—301.
［4］丁文其,朱令,彭益成,等.基于地层—结构法的沉管隧道三维数值分析［C］//全国软土工程学术会议暨上海市岩土力学与工程学术年会. .
Research on ANSYS finite element analysis of immersed tunnel based on load—structure method
BAI Hai—yang1，WANG Zheng—zhong2
（CC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Shaanxi Xi’an 710000 China；2.School of Civil Engineering Qingdao University of Technology，Shandong Qingdao 266033 China）
Abstract:In order to study the stress and deformation characteristics of immersed tube tunnel under water, a two—dimensional immersed tube tunnel model based on stratum structure method was established by using ANSYS finite element software. The conclusions are obtained through the analysis of the deformation and the force cloud map：(1) the vertical deformation of the top plate is the largest, the position of the middle wall in the floor is the largest;(2) the maximum bending moment appears in the middle wall position of the roof, the maximum shear force appears in the middle span of the roof, and the maximum axial force appears in the middle wall position.
Key words:immersed tunnel; finite element; deformation and force
中图分类号：U455.46
文献标识码：A
收稿日期： —09—06
作者简介：白海洋（1982—），男，陕西子长人，工程师。
