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基于埋置梁广义位移法的桩基拱式渡槽受力分析

胡荣金 皮家骏 潘世洋 黄永涛 刘晓青

胡荣金,皮家骏,潘世洋,等. 基于埋置梁广义位移法的桩基拱式渡槽受力分析[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20210929002
引用本文: 胡荣金,皮家骏,潘世洋,等. 基于埋置梁广义位移法的桩基拱式渡槽受力分析[J]. 水利水运工程学报,2022. doi:  10.12170/20210929002
(HU Rongjin, PI Jiajun, PAN Shiyang, et al. Analysis of arch aqueduct on pile foundation based on generalized displacement method for Built-in beam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20210929002
Citation: (HU Rongjin, PI Jiajun, PAN Shiyang, et al. Analysis of arch aqueduct on pile foundation based on generalized displacement method for Built-in beam[J]. Hydro-Science and Engineering, 2022(in Chinese)) doi:  10.12170/20210929002

基于埋置梁广义位移法的桩基拱式渡槽受力分析

doi: 10.12170/20210929002
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0407102);常州工学院科研启动项目( E3620721008)
详细信息
    作者简介:

    胡荣金(1981—),男,江西南昌人,高级工程师,硕士,主要从事水工建筑物设计研究。E-mail:1040205331@qq.com

    通讯作者:

    潘世洋(E-mail:psy929@qq.com

  • 中图分类号: TV672.3

Analysis of arch aqueduct on pile foundation based on generalized displacement method for Built-in beam

  • 摘要: 桩基拱式渡槽包含梁柱与块体结构,采用有限元分析时应分别采用梁单元与等参单元离散,存在梁单元与等参单元之间转角位移协调问题。从梁单元节点作为主节点的广义位移公式出发,建立了梁单元节点作为从节点时其转动位移与所埋置等参单元节点位移之间的埋置梁广义位移表达式。通过设置不同的网格尺寸和单元刚度,研究了梁单元与等参单元之间采用主从或从主广义位移模式对桩基上拱式渡槽结构分析的适用性,并将分析结论应用于某拱式渡槽的受力分析。研究结果表明,在保证计算精度的前提下,埋置梁广义位移法有效提高了计算效率,可用于梁板柱与块体结构的相互作用分析。
  • 图  1  渡槽简化模型及网格示意图(单元尺寸1 m)

    Figure  1.  Simplified model and grid diagram of aqueduct (grid size 1 m)

    图  2  排架-承台-桩基示意及网格图(单元尺寸1 m)

    Figure  2.  Bent-bearing platform-pile foundation system and grid diagram (grid size 1 m)

    图  3  梁单元广义法尺寸2 m模型受力

    Figure  3.  Force diagram of the 2 m model using the general generalized displacement method

    图  4  埋置梁广义位移法尺寸2 m模型受力

    Figure  4.  Force diagram of the 2 m model using the built-in beam generalized displacement method

    图  5  尺寸2 m实体单元模型受力

    Figure  5.  Force diagram of the 2 m entity-element model

    图  6  60 m拱式渡槽及其部分结构示意(单位:mm)

    Figure  6.  Diagram of 60 m arch aqueduct and its structures (unit: mm)

    图  7  三跨渡槽模型有限元网格

    Figure  7.  Finite element mesh of three span aqueduct model

    图  8  满水位运行工况下主要计算结果

    Figure  8.  Main calculation results under full water level operation condition

    表  1  不同单元网格不同地基模量计算结果最值比较

    Table  1.   Comparison of maximum results of different foundation modulus of different element grids

    网格尺寸
    (边长)/m
    地基模量/
    MPa
    最值埋置梁广义位移法2 m网格下的梁单元广义
    位移法(基准值)
    相对误差/%
    2/1/4 18 排架合位移最值/mm 19.50/21.712/18.31 19.50 0/11.34/6.10
    排架轴力最值/kN −719.80/−724.66/−708.47 −719.81 0/0.67/1.58
    排架剪力最值/kN −200.50/−200.48/−201.80 −200.51 0/0.01/0.64
    排架弯矩最值/(kN·m) −962.36/−956.20/−990.35 −962.43 0.01/0.65/2.90
    桩基轴力最值/kN −238.80/−146.30/−263.04 −240.15 0.56/39.08/9.53
    桩基剪力最值/kN 268.25/256.29/257.60 268.63 0.14/4.59/4.11
    桩基弯矩最值/(kN·m) 3 914.80/3 871.60/3 789.50 3 919.90 0.13/1.23/3.33
    2/1/4 180 排架合位移最值/mm 3.607 0/4.002 6/3.332 5 3.611 9 0.14/10.82/7.74
    排架轴力最值/kN −719.76/−724.51/−708.46 −719.76 0/0.66/1.57
    排架剪力最值/kN −200.51/−200.51/−201.79 −200.51 0/0/0.64
    排架弯矩最值/(kN·m) −962.49/−953.01/−990.29 −962.51 0/0.99/2.89
    桩基轴力最值/kN −139.15/−101.06/−137.55 −141.79 1.86/28.73/2.99
    桩基剪力最值/kN 163.16/128.52/199.73 164.25 0.66/21.75/21.60
    桩基弯矩最值/(kN·m) 1 172.5/1073.90/1 162.10 1 179.60 0.60/8.96/1.48
    1 800 排架合位移最值/mm 1.1253/1.231/1.082 6 1.1263 0.09/9.30/3.88
    排架轴力最值/kN −719.75/−724.44/−708.46 −719.75 0/0.65/1.57
    排架剪力最值/kN −200.52/−200.54/−201.78 −200.52 0/0.01/0.63
    排架弯矩最值/(kN·m) −962.57/−953.28/−990.24 −962.55 0/0.96/2.88
    桩基轴力最值/kN −29.72/−25.97/−27.48 −31.17 4.68/16.68/11.84
    桩基剪力最值/kN 52.48/38.16/69.47 55.93 6.17/31.77/24.22
    桩基弯矩最值/(kN·m) 221.48/183.01/244.38 230.75 4.02/20.69/5.91
      注:表格中“/”隔开的数据分别代表尺寸2、1和4 m时的计算结果。
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    表  2  各结构材料参数取值

    Table  2.   Material parameters of different structures

    结构弹性模量/GPa泊松比
    槽身、拱圈 32.5 0.17
    排架、槽墩 28 0.17
    第一层地基 0.34 0.30
    第二层地基 0.35 0.30
    第三层地基 18.00 0.30
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    表  3  各工况计算结果

    Table  3.   Results of different working conditions

    工况位移最值拱圈受力最值桩基受力最值
    顺槽向/mm横槽向/mm竖向/mm轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)
    施工完成 −9.9 4.6 −34.1 −3 289.5 −2 684.3 −1 437.4 −1 636 230.61 410.74
    满水位 −10 4.7 −35.4 −5 281 −4 380 −2 653 −2 459 348 588.64
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  • [1] 韩吉伟, 刘晓明, 杨月红, 等. 考虑土体强度空间变异性的单桩水平承载力研究[J]. 水利水运工程学报,2020(6):108-114 doi:  10.12170/20200424001

    HAN Jiwei, LIU Xiaoming, YANG Yuehong, et al. Study on the horizontal bearing capacity of single pile foundation considering spatial variability of soil strength[J]. Hydro-Science and Engineering, 2020(6): 108-114. (in Chinese) doi:  10.12170/20200424001
    [2] 刘耀东, 张科. 隧道盾构施工对既有桩群的影响研究[J]. 湖北工业大学学报,2018,33(2):91-94 doi:  10.3969/j.issn.1003-4684.2018.02.023

    LIU Yaodong, ZHANG Ke. Study on the influence of tunnel shield construction on existing pile groups[J]. Journal of Hubei University of Technology, 2018, 33(2): 91-94. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1003-4684.2018.02.023
    [3] 廖雄华, 周健, 张克绪, 等. 广义位移法在土-结构相互作用问题分析中的应用[J]. 岩土工程学报,2001,23(6):672-676 doi:  10.3321/j.issn:1000-4548.2001.06.005

    LIAO Xionghua, ZHOU Jian, ZHANG Kexu, et al. Application of generalized freedom method to the analysis of soil-structure interaction problems[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2001, 23(6): 672-676. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-4548.2001.06.005
    [4] 钟万勰, 朱建平. 薄壁杆件有限元中的广义位移方法[J]. 大连理工大学学报,1985,24(4):25-30

    ZHONG Wanxie, ZHU Jianping. Generalized displacement method in finite element analysis of thin-walled beams[J]. Journal of Dalian University of Technology, 1985, 24(4): 25-30. (in Chinese)
    [5] 钟万勰, 李锡夔. 不可压缩材料有限元分析中的广义位移方法[J]. 大连理工大学学报,1981,20(4):1-10

    ZHONG Wanxie, LI Xikui. On the generalized displacement method in the finite element analysis of incompressible materials[J]. Journal of Dalian University of Technology, 1981, 20(4): 1-10. (in Chinese)
    [6] 曹广德, 李同春. 基于梁单元的薄壁筒桩与土相互作用分析[J]. 水利水电科技进展,2006,26(2):34-36

    CAO Guangde, LI Tongchun. Beam element-based finite element analysis of interaction between soil and thin-walled cylindrical piles[J]. Advances in Science and Technology of Water Resources, 2006, 26(2): 34-36. (in Chinese)
    [7] 李文虎, 李同春. 与土体共同作用薄壁结构受力分析的广义位移法[J]. 苏州科技学院学报(工程技术版),2005,18(4):37-40

    LI Wenhu, LI Tongchun. Generalized displacement method in bearing capacity analysis of thin-walled structure interacted with foundation soil[J]. Journal of University of Science and Technology of Suzhou (Engineering and Technology), 2005, 18(4): 37-40. (in Chinese)
    [8] 蔡永昌, 朱合华, 李晓军. 一种用于锚杆支护数值模拟的单元处理方法[J]. 岩石力学与工程学报,2003,22(7):1137-1140 doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2003.07.017

    CAI Yongchang, ZHU Hehua, LI Xiaojun. New element form in the numerical simulation of bolt-reinforced structure[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(7): 1137-1140. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-6915.2003.07.017
    [9] 巫昌海, 汪基伟. 混凝土三维钢筋埋置组合式有限单元模型及其网格自动生成[J]. 计算机辅助设计与图形学学报,2000,12(10):761-764 doi:  10.3321/j.issn:1003-9775.2000.10.009

    WU Changhai, WANG Jiwei. Three-dimensional embedded finite element model of reinforced concrete and its automatic mesh generation[J]. Journal of Computer Aided Design & Computer Graphics, 2000, 12(10): 761-764. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1003-9775.2000.10.009
    [10] 孙统立, 肖志乔. 任意岩石锚杆计算模型及其算法[J]. 地下空间与工程学报,2006,2(2):221-224

    SUN Tongli, XIAO Zhiqiao. The effective calculation method of rock bolt in geotechnical engineering[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2006, 2(2): 221-224. (in Chinese)
    [11] ELWI A E, HRUDEY T M. Finite element model for curved embedded reinforcement[J]. Journal of Engineering Mechanics, 1989, 115(4): 740-754. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9399(1989)115:4(740)
    [12] BARZEGAR F, MADDIPUDI S. Generating reinforcement in FE modeling of concrete structures[J]. Journal of Structural Engineering, 1994, 120(5): 1656-1662. doi:  10.1061/(ASCE)0733-9445(1994)120:5(1656)
    [13] RANJBARAN A. Mathematical formulation of embedded reinforcements in 3D brick elements[J]. Communications in Numerical Methods in Engineering, 1996, 12(12): 897-903. doi:  10.1002/(SICI)1099-0887(199612)12:12<897::AID-CNM981>3.0.CO;2-D
    [14] MARKOU G, PAPADRAKAKIS M. An efficient generation method of embedded reinforcement in hexahedral elements for reinforced concrete simulations[J]. Advances in Engineering Software, 2012, 45(1): 175-187. doi:  10.1016/j.advengsoft.2011.09.025
  • [1] 余博闻, 陈立, 刘睿.  基于有限元法的船舶抛锚贯入深度探讨 . 水利水运工程学报, doi: 10.12170/20210430001
    [2] 何玲丽, 田东方.  基于混合格式Richards方程的非均质土体渗流模拟 . 水利水运工程学报, doi: 10.12170/20201209002
    [3] 李炎隆, 张宁, 曹智昶, 宫晓华.  坝踵混凝土体型对混凝土面板应力变形的影响 . 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2019.01.002
    [4] 梁岩, 毛瑞敏, 王毅, 罗小勇.  龙开口水电站坝基防渗墙数值模拟 . 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.03.008
    [5] 王玉孝, 沈婷, 李国英.  组合型混凝土面板堆石坝应力应变特性分析 . 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2018.05.008
    [6] 何玲丽, 田东方.  考虑径流补给的滑坡渗流三维有限元模拟 . 水利水运工程学报, doi: 10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.04.015
    [7] 秦亚斌, 张振华, 朱大勇.  某水电站溢洪道闸室堰体厚度优化分析 . 水利水运工程学报,
    [8] 徐保照, 李飒, 夏玲晓, 戴旭.  不同安装法对管桩桩周土影响的有限元分析 . 水利水运工程学报,
    [9] 冯超, 杜应吉.  渡槽结构横向动力响应分析 . 水利水运工程学报,
    [10] 洪斌.  基于可靠度随机有限元法的海洋混凝土结构耐久性分析 . 水利水运工程学报,
    [11] 陈 飘, 邓成发, 刘正国.  中厚覆盖层上中低面板堆石坝应力变形分析 . 水利水运工程学报,
    [12] 曹邱林, 陈蕾.  大型船坞坞室墙施工期有限元分析 . 水利水运工程学报,
    [13] 孙玮玮,庄德利,张士辰,郑昊尧.  黄河源水电站工程大坝渗流安全分析 . 水利水运工程学报,
    [14] 徐伟,徐建国,王博.  多厢矩形渡槽槽身弹性稳定分析的梁壳复合有限条法 . 水利水运工程学报,
    [15] 刘晓平,卢陈,王崇宇,向黎.  遮帘桩工作性状影响因素分析 . 水利水运工程学报,
    [16] 李同春,厉丹丹,王志强.  基于有限元响应面法的重力坝抗拉可靠度分析 . 水利水运工程学报,
    [17] 刘霞,李宗利,贾仕开.  大型箱梁翼缘开洞有限元分析 . 水利水运工程学报,
    [18] 苏静波,邵国建,熊伟.  岩壁吊车梁运行期三维非线性有限元稳定计算 . 水利水运工程学报,
    [19] 杨令强,练继建,张社荣,陈祖坪.  随机有限元与最大熵法联合求混凝土拱坝可靠度 . 水利水运工程学报,
    [20] 刘海祥,洪晓林,陆采荣.  外贴钢板加固钢筋混凝土梁有限元分析 . 水利水运工程学报,
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-29
  • 网络出版日期:  2022-09-16

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