应力作用（共9篇）
应力作用 篇1
0 引言
作为预应力让压均压锚杆, 就是通过锚固在岩体内的树脂与支护体外的托盘施加一定的预应力, 控制巷道围岩的早期变形, 消除顶板中的拉应力区, 将松动破裂的岩体锚固在上部未松动的岩层中。随着围岩的变形, 锚杆施加给围岩的力也越大, 而锚杆受到的围岩的反作用力也越大, 如果一味地增加锚杆的强度, 锚杆会很快被拉断, 这就需要锚杆具有一定的让压均压性, 在巷道围岩蠕变阶段锚杆能提供恒定的工作阻力, 以保护锚杆不被拉断失效, 从而起到维护巷道稳定的目的。
1 预应力锚杆在加固围岩的力学机制分析
首先, 运用线弹性理论的解析法, 着重分析在均匀、连续、各向同性岩体中的圆形洞室。预应力锚杆沿圆形洞室径向设置, 且沿轴向等间距布置, 分析计算在围岩中产生的附加应力, 然后, 将其推广到具有不同开挖曲率半径的洞室围岩, 得出预应力锚杆提供给围岩附加应力状态的普遍形式。
令R为洞室半径, L为预应力锚杆长度。如果锚杆所提供的预应力为T, 沿周向等间距布置n根锚杆, 则其在锚固围岩的内外边界上产生的附加径向压应力q及q'分别为:
该问题是轴对称平面应变问题, 在R≤r≤R1范围内其弹性力学解答为:
上述各表达式中, r为所研究平面内任一点的径向坐标, E为弹性模量, v为泊松比。根据径向应力以压应力为正而拉应力为负, 径向位移与分别为围岩的弹性模r方向相反为正。根据以上各式, 可以得出预应力锚杆提供给围岩的附加应力和附加位移的大致分布。锚固产生的附加应力基本上限于锚杆的有效长度范围, 这与圣维南原理相吻合, 对远离该锚杆的其它锚杆之处影响很小。因此, 当洞室开挖边界接近于圆弧状, 且用若干预应力锚杆等间距加固时, 锚固所产生的附加应力除接近锚固点处比较复杂外, 其余部分的分布则比较均匀。
2 预应力在锚杆加固围岩的作用分析
预应力在锚杆加固围岩时, 随地下工程地质条件的变化, 围岩的状态也变得更加复杂, 锚杆所要施加的预应力也不相同。预应力锚杆受力状态也随着围岩条件的变化而变化, 尤其是受动压和反复采动影响的回采巷道, 在不同的各种因素影响下会发生拉、剪、扭等力学现象。由于预应力锚杆的作用机制比较复杂, 很难用单一指标来衡量预应力锚杆的作用, 只能要根据具体的地质和采矿条件来分析其主要作用。预应力锚杆对围岩的加固作用主要有以下几个方面:
2.1 对围岩表面提供支护抗力, 改变了巷道开挖边界的约束性质, 达到控制围岩剪胀变形发展的目标。
预应力锚杆对围岩加固作用原理是利用钢材具有较高的抗拉强度和一定的抗剪强度加固围岩。随着巷道开挖的完成, 围岩的弹性变形和塑性变形即告结束, 要维护巷道空间的稳定, 必须通过一定的手段来限制围岩的进一步变形, 即剪胀变形的发展。在巷道开挖完成后, 及时根据具体的条件安装预应力锚杆, 通过预应力锚杆主动给围岩比较高的初撑力, 能够有效地阻止围岩剪胀变形的发展。这一点可以通过预应力锚杆的支护特征线得到很好解释。
2.2 加固围岩, 使破碎区及塑性区的岩体整体化, 充分调动围岩的自身承载能力, 使其形成具有较高承载能力的组合梁或组合拱。
由于普通锚杆没有预应力, 就像棚子支护一样, 属于被动支护, 只有当巷道围岩变形到一定程度时, 锚杆才起作用;相比普通的锚杆来讲, 预应力锚杆是在巷道掘进后立即安装锚杆, 并且在高预应力作用下尽可能使巷道围岩由开挖后的单向应力或双向应力状态变为开挖前的三向应力状态, 这种支护属于主动支护, 它能够尽可能快地控制顶板离层, 消除顶板的拉应力区, 利用锚杆的预应力将开挖后的软弱岩层挤压并悬吊在上方的稳定岩层之中。
在预应力锚杆的高预应力作用下, 对于破碎区的岩块, 一方面增大了岩块之间的裂隙闭合、滑移面上的摩擦力;另一方面, 由于锚杆是一种典型的异质包体, 它在岩体中起到了“销钉作用”, 增大了破坏面的抗剪强度, 相当于提高了破坏面的等效凝聚力。对于巷道顶板面临的典型的层状结构地层, 由于预应力锚杆的高预应力作用, 将巷道顶板锚固范围内的数个薄岩层锁紧成一个较厚的岩层, 即成为一个组合梁, 其最大弯曲应变和应力均大大减小, 组合梁的挠度也较小。
在拱形巷道围岩的破裂区中安装预应力锚杆时, 在杆体两端将形成圆锥形分布的压应力, 如果巷道周边布置锚杆群, 只要锚杆的间排距设置合理, 各个锚杆形成的压应力圆锥体将相互交错, 就能在岩体中形成一个均匀的压缩带, 即承压拱, 这个承压拱可以承受其上部破碎岩石施加的径向载荷。在承压拱内的岩石径向及切向均受压, 处于三向受力状态, 其围岩强度得到提高, 支撑能力也相应加大。
2.3 改善围岩应力场, 强化围岩体的力学参数, 提高围岩的稳定性, 增大围岩体残余强度。
井下巷道的开挖后, 开挖边界附近围岩的应力状态向不利于稳定的方向转化, 应力方面表现为由原来的主应力差值较小转化为主应力差值较大, 改变了围岩的原始应力状态。在这种应力状态的转化过程中, 开挖边界附近围岩产生一定的塑性区, 并向约束最弱的方向产生塑性松动。这种塑性松动导致围岩体的力学性质发生变化, 使得弹性模量E、粘聚力c、残余粘聚力c'、内摩擦角φ及峰值强度与残余强度均有不同程度的降低。在围岩中设置预应力锚杆后, 将在围岩中产生附加的锚固应力, 尤其在锚杆群作用下, 围岩又变成了三向应力状态。由于岩石的抗压强度远大于其抗拉强度, 可通过调整围岩的应力状态来有效地提高围岩的稳定性。
2.4 阻止结构面的滑移, 提高其抗剪能力和抗滑能力, 增加围岩的稳定性。
岩体中一般均有结构面 (如节理面等) , 结构面对岩体的强度、变形性能、渗透性、各向异性、力学上的连续性, 以及岩体中应力分布等, 均有显著的影响。一般来说, 结构面是影响岩体力学问题的一个控制性因素。开挖后的围岩, 由于其主应力差较大, 节理面对其稳定性起控制作用。为了使围岩不沿节理面产生滑移, 最有效的方法之一就是在其中设置预应力锚杆。
2.5 改善围岩体的受力状态以及围岩应力场。
关于预应力锚杆对巷道围岩应力场的改善机制, 由于模型试验和现场观测均存在较大困难, 国内外的研究者比较少。根据弹塑性力学理论, 巷道开挖后, 围岩将产生二次应力分布, 应力重新分布的结果将使巷道四周围岩的径向应力减小, 切向应力增大, 这种应力分布状态将导致巷道围岩产生压剪破坏。在锚杆预应力的作用下, 围岩的径向应力得到显著的提高, 径向应力的增大使应力分布趋于均匀, 应力集中减缓, 围岩的二次应力分布得以改善, 从而提高了岩体的承载能力。
3 结束语
总之, 开挖后的围岩一般是不稳定的, 要使其保持稳定, 必须改善围岩中的应力状态及开挖边界的约束性质, 行之有效的方法之一, 就是在围岩中设置预应力锚杆, 在围岩中产生有利于围岩稳定的应力状态及约束条件。
摘要：锚杆支护的实质就是锚杆和锚固区域的岩体相互作用而组成锚固体, 形成统一的承载结构。巷道围岩锚固体强度提高以后, 可以减少巷道周围破碎区、塑性区的范围和巷道的表面位移, 控制围岩破碎区、塑性区的发展, 从而有利于保持巷道围岩的稳定。
关键词：巷道支护,围岩稳定性,松动圈,塑性变形,支护阻力,二次应力分布
参考文献
[1]陈炎光, 陆士良, 侯朝炯.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1994.
[2]王飞虎.地下洞室预应力锚杆支护机理及设计参数确定方法研究[D].西安:西安理工大学, 2001.
应力作用 篇2
在考虑地基与储罐相互作用的情况下,采用有限元法对储罐在水平地震荷载作用下的应力及应变反应进行了数值计算.对3×104 m3和2×103 m3罐壁应力及应变的分析结果表明:环向、轴向应力及应变的分布形式呈现出明显的下部大上部小的特点,在偏底部的.位置出现应力和应变的峰值;储液罐在水平地震作用下“象足”变形是由纵向压应力达到屈曲临界应力导致的屈曲破坏,不是强度破坏,即破坏属于失稳破坏而非强度破坏.
作 者：孙建刚 宫克勤 齐含兵 王莉莉 SUN Jiangang GONG Keqin QI Hanbing WANG Lili 作者单位：孙建刚,SUN Jiangang(大连民族学院,土木建筑工程学院,辽宁,大连,116600;大庆石油学院土木建筑工程学院,黑龙江,大庆,163318)
宫克勤,齐含兵,王莉莉,GONG Keqin,QI Hanbing,WANG Lili(大庆石油学院土木建筑工程学院,黑龙江,大庆,163318)
应力作用 篇3
关键词：预应力锚索 边坡加固 作用
随着高速公路网建设向山区的转移 ,将出现大量的路堑类土质边坡 ,所以如何采用经济、安全的措施对这些边坡进行加固 ,保证高速公路的正常运营是当前一个极其重要的课题。
1、基本概念
1.1预应力锚索的含义
由钻孔穿过软弱岩层或滑动面，把一端（锚杆）锚固在坚硬的岩层中（称内锚头），然后在另一个自由端（称外锚头）进行张拉，从而对岩层施加压力对不稳定岩体进行锚固，这种方法称预应力锚索，简称锚索。
1.2预应力锚索的结构
锚索结构一般由幅度锚头、锚索体和外锚头三部分共同组成。内锚头又称锚固段或锚根，是锚索锚固在岩体内提供预应力的根基，按其结构形式分为机械式和胶结式两大类，胶结式又分为砂浆胶结和树脂胶结两类，砂浆式又分二次灌浆和一次灌浆式。外锚头又称外锚固段，是锚索借以提供张拉吨位和锁定的部位，其种类有锚塞式、螺纹式、钢筋混凝土圆柱体锚墩式、墩头锚式和钢构架式等；锚索体，是连结内外锚头的构件，也是张拉力的承受者，通过对锚索体的张拉来提供预应力，锚索体由高强度钢筋、钢纹线或螺纹钢筋构成。预应力锚索是一种较复杂的锚固工程，需要专门知识与经验，施工监理人员，应具有更丰富理论和经验。
1.3施工工序
1.3.1锚孔测放
边坡施工边挖边加固，即开挖一级，防护一级，不得一次开挖到底。根据各工点工程立面图，按设计要求，将锚孔位置准确测放在坡面上，孔位误差不得超过±50mm。如遇既有刷方坡面不平顺或特殊困难场地时，需经设计监理单位认可，在确保坡体稳定和结构安全的前提下，适当放宽定位精度或调整锚孔定位。
1.3.2钻孔设备
钻孔机具的选择，根据锚固地层的类别、锚孔孔径、锚孔深度、以及施工场地条件等来选择钻孔设备。岩层中采用潜孔冲击成孔；在岩层破碎或松软饱水等易于塌缩孔和卡钻埋钻的地层中采用跟管钻进技术。
1.3.3钻机就位
锚孔钻进施工，搭设满足相应承载能力和稳固条件的脚手架，根据坡面测放孔位，准确安装固定钻机，并严格认真进行机位调整，确保锚孔开钻就位纵横误差不得超过±50mm，高程误差不得超过±100mm，钻孔倾角和方向符合设计要求，倾角允许误差位±1.0°，方位允许误差±2.0°。
1.3.4钻进方式
钻孔要求干钻，禁止采用水钻，以确保锚索施工不致于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。钻孔速度根据使用钻机性能和锚固地层严格控制，防止钻孔扭曲和变径，造成下锚困难或其它意外事故。
1.3.5钻进过程
钻进过程中对每个孔的地层变化，钻进状态（钻压、钻速）、地下水及一些特殊情况作好现场施工记录。如遇塌孔缩孔等不良钻进现象时，须立即停钻，及时进行固壁灌浆处理（灌浆压力0.1～0.2MPa），待水泥砂浆初凝后，重新扫孔钻进。
1.3.6锚孔清理
钻进达到设计深度后，不能立即停钻，要求稳钻1～2分钟，防止孔底尖灭、达不到设计孔径。钻孔孔壁不得有沉碴及水体粘滞，必须清理干净，在钻孔完成后，使用高压空气（风压0.2～0.4MPa）将孔内岩粉及水体全部清除出孔外，以免降低水泥砂浆与孔壁岩土体的粘结强度。除相对坚硬完整之岩体锚固外，不得采用高压水冲洗。若遇锚孔中有承压水流出，待水压、水量变小后方可下安锚筋与注浆，必要时在周围适当部位设置排水孔处理。如果设计要求处理锚孔内部积聚水体，一般采用灌浆封堵二次钻进等方法处理。
1.3.8锚孔检验
锚孔钻造结束后，须经现场监理检验合格后，方可进行下道工序。孔径、孔深检查一般采用设计孔径、钻头和标准钻杆在现场监理旁站的条件下验孔，要求验孔过程中钻头平顺推进，不产生冲击或抖动，钻具验送长度满足设计锚孔深度，退钻要求顺畅，用高压风吹验不存明显飞溅尘碴及水体现象。同时要求复查锚孔孔位、倾角和方位，全部锚孔施工分项工作合格后，即可认为锚孔钻造检验合格。
2、预应力锚索在高速公路边坡加固中的作用
预应力锚索是通过外端固定于坡面，另一端锚固在滑动面以内的稳定岩体中穿过边坡滑动面的预应力钢绞线，直接在滑面上产生抗滑阻力，增大抗滑摩擦阻力，使结构面处于压紧状态，以提高边坡岩体的整体性，从而从根本上改善岩体的力学性能，有效地控制岩体的位移，促使其稳定，达到整治顺层、滑坡及危岩、危石的目的。
预应力锚索采用对预应力锚索施加的预应力将滑动岩体与稳定岩体紧密连结为一体，增加岩体各层面紧密结合，减低公路隐患。
2.1预应力锚索施工方法特点
2.1.1自身优势
预应力锚索具有一定的柔性,可以深层加固,同时能够主动控制岩土体变形,调整岩土体应力状态,有利于岩土体的稳定性。
2.1.2经济性好
预应力锚索既可单独使用,充分利用岩土体自身强度,从而节省大量工程材料,同时又可与其他结构物组合使用,改善其受力状态,节省大量的员工,具有显著经济效益。
2.1.3施工快捷灵活。
预应力锚索具有施工工艺灵巧、施工进度快、工期短、施工安全等特点,用于应急抢险更具有独特优势。
2.1.4防止水质污染
加强对施工队伍的生活处理。严禁将其直接排入河道水流中；对路基清除淤泥表土应回收到路上处理或运到指定地点堆弃：弃土弃石应运到合理地点。不得任意堆放，更不能淤塞河道；对桥梁围堰施工．应注意围堰土在施工结束后的清除工作。避免阻塞河道：施工机械和油料库还应避免油污的污染。
2.1.5防止大气污染
材料堆放应尽量采取库内存放，如露天放置应采取必要挡风措施．减少扬尘：组织好材料和土方运输．防止材料散落造成环境污染：材料运输宜采用封闭性较好的自卸车运输或采用覆盖措施：对于拌合材料应合理安排拌合场并集中拌合．尽量减少拌合场；拌合场的场址应悬在环境敏感点下风向，且应保持距离在300m以上。
3、小结
预应力锚索是治理高速公路滑坡的一种新型有效工程措施之一，桥巩船闸闸室段左边坡存在深层滑裂面，通过设置预应力锚索来达到边坡的稳定，从而节省了工程投资，加快了施工进度。
参考文献：
[1]王红雨.预应力锚索在高速公路边坡加固中的作用分析[J].交通世界（建养机械）,2010(10).
[2]王道颖.框架梁与预应力锚索在高速公路边坡加固中的应用[J].西部探矿工程,2001(1).
[3]陈新春.预应力锚索技术在高速公路边坡工程加固应用[J].城市建设理论研究（电子版），2011（33).
应力作用 篇4
钛合金是一种新型的合金材料, 因其具有比强度高、抗蚀性好、低温性能好等优点而广泛应用于航空航天、医学器材、工业设备。但钛合金的热导率低、弹性模量小、化学活性高, 易导致刀具的严重磨损, 是一种典型的难加工材料。传统的加工方法对刀具的磨损较大, 钛合金的热导率低, 刀具的热量不能及时传出, 致使刀具容易崩刃。运用高压水射流对钛合金等难加工金属进行切削可避免传统加工方法产生的不利因素, 如工件热变形、材料表面性质的影响等, 不改变钛合金的机械性能、物理和化学性能。水射流技术因其特有的加工优点已被广泛应用到加工行业, 水射流技术可切割大理石、玻璃、陶瓷、钢材等普通常见的材料。目前, 水射流技术亦应用于航天飞机、深海探测器、人体替代关节等领域。ANSYS AUTODYN是一种显式非线性动力分析软件, 可以对固体、流体和气体的动态特性及耦合机理进行分析。通过该软件实现了钛合金和水射流之间的耦合, 研究在不同射流速度和不同射流颗粒下, 水射流加工钛合金时的应力曲线图及材料存在状态图, 数值模拟可表明速度与颗粒在磨料水射流加工钛合金过程中的影响优先次序, 为研究水射流加工钛合金机理提供可靠的理论依据。
1 SPH算法基础
在软件的模拟中选择水作用于钛合金, 考虑水的特殊物理性质 (无弹性模量、无泊松比) 采用SPH解算器。SPH方法是一种纯拉格朗日的具有无网格、自适应属性的流体动力学求解方法。钛合金采用Lagrange解算器, 水射流作用钛合金的数值模拟为SPH-Lagrange耦合计算方式。SPH是一种用于求解偏微分方程的数值方法, 是先将偏微分方程的解域进行离散化处理, 然后采用近似函数来表示任意一点的场函数和导函数, 经过上述的处理就将微分方程转化为一系列离散化的并和时间相关的常微分方程, 再利用传统的数值计算方法来计算这些常微分方程, 进而求得所求问题的解。
SPH算法包含两个核心的计算步骤, 即对场函数采用积分近似表示法的核函数近似过程, 也是对积分近似方程进行离散化的粒子近似过程。
1) 核函数的近似。SPH计算方法对任意的函数f (x) ;其积分表达式为
式中:Ω表示计算域;x表示坐标矢量;δ (x-x′) 表示狄拉克δ函数。
用光滑函数 (或核函数) w (x-x′, h) 取代式 (1) 中的狄拉克δ函数, 则f (x) 的积分近似表达式为
式中:h为定义光滑函数;w为影响区域的光滑长度。
2) 粒子近似。在粒子i处的函数f (xi) 的粒子近似式为
式中:mj和ρj分别为粒子的质量和密度;n为在粒子i的支持域内的相邻粒子。
2 模拟仿真过程
在AUTODYN界面中选择加载水和钛合金 (TI6AL4V) , 设置水流的速度, 建立边界条件并建立模型。具体参数设置见表1。
模型中的水射流假设为圆柱状, 模拟采用φ1 mm的水流喷嘴, 水射流圆柱的直径为1 mm, 钛合金的厚度为5 mm, 钛合金模型为圆柱体, 直径为20 mm, 对钛合金的网格划分:厚度方向为150个, 直径方向为300个。水射流的模型长度为20 mm, 添加粒子直径为0.3 mm。建立的模型如图1、图2所示。
图1是水射流加工钛合金的二维几何模型。图中显示SPH无网格化的水射流模型以及划分过网格的钛合金模型。图2是在钛合金模型的边界加载了约束载荷, 固定钛合金在仿真中自由度为零, 仿真能够较为真实地反映实际实验中的效果。水射流的速度及颗粒尺寸按照设定的参数进行软件仿真, 得到应力数据及材料状态。
由图3可以看出1~4仿真实验的水射流的速度逐渐增大, 作用在钛合金模型上的应力也逐渐增加, 因为水射流加载在模型上初始时刻引起的振动, 所以初始应力高于其它几个阶段的应力。从图表中可以看出应力总体呈下降趋势。在8.5×10-4s时有小幅增加, 考虑因为交变冲击引起应力变化。数值模拟在11×10-4s时2 000 m/s应力的最大值为38.3×105k Pa, 而500 m/s的应力为4.563×105k Pa, 相差近10倍。但从图表可以看出当速度增加到2000m/s以上所得的应力相差2~3倍。由此可以得出合理选择水射流速度的大小对钛合金的加工起到重要的影响。在水射流作用钛合金中水模型采用的是SPH解算器, 故水射流颗粒的大小是可以设定的, 在5~8仿真实验中得到图4所示数据, 作用在钛合金上的应力随着颗粒的增大而增大, 初始的应力较高并且逐渐趋于稳定。从图4中可以看出, 在11×10-4 s时颗粒度0.04 mm的应力为12.72×105k Pa, 颗粒度0.1 mm时的应力为16.93×105 k Pa, 颗粒度为0.06 mm和0.08 mm的应力居于12.72×105~16.93×105k Pa之间。从整体上看应力随颗粒增加而增大, 但增幅不明显。故在水射流作用钛合金时, 颗粒度的大小对应力有一定的影响, 但其重要性低于水射流的速度。在数值分析水射流作用与钛合金过程中的主要应力分布及其瞬间的水射流和钛合金的存在状态如图5和图6所示。仿真条件设置速度为1 000 m/s、水流颗粒度为0.06 mm。在图5中可以得出应力集中在钛合金的中心点处。中心点处的最大应力值为1.05×106 k Pa, 应力逐渐向外扩散, 作用点的边缘处应力为4.8×105 k Pa。图6可以看出水射流冲击钛合金时流体呈破裂状态, 钛合金是有限元网格划分的固体。作用后SPH无网格水射流体积失效, 变成大量的小颗粒。SPH计算方法是粒子近似计算, 仿真时粒子散裂是符合试验的要求的。
随着仿真过程的不断进行, 在模拟的钛合金表面出现凹坑、裂纹。这是高压水射流作用的结果, 由于这些现象, 水射流才能对钛合金进行切削加工。
3 结论
利用有限元软件AUTODYN模块建立模型并应用数值模拟方法对水射流作用钛合金的流固耦合问题进行计算模拟, 得到作用在靶物钛合金的应力随射流速度上升而变大, 以及随着射流的颗粒度增加, 作用在靶物钛合金的应力相应增大的结论。从仿真所得到的图1、图2上可以得出水射流冲击靶物在不同的射流参数条件下的应力变化以及各个参数在实验中影响大小。所得结果在磨料水射流中可以分析磨料颗粒在钛合金加工表面的最大嵌入度区域, 根据仿真的结果选择合理的水射流参数。
摘要：水射流高速冲击对象靶物时, 参数测定较复杂。利用有限元软件显示动力学模块对不同的射流粒子和射流速度在水射流作用钛合金时的应力进行数值分析可获得理想结果。数值模拟结果表明, 水射流的冲击速度由500 m/s升至2 000 m/s时, 作用于钛合金的应力由5×105k P a增加至45×105k Pa。颗粒尺寸由0.04 m m至0.1 m m内变化对应力的影响较大, 应力在3×10-4s内由48×105k P a迅速下降为25×105k Pa, 随着冲击的持续应力趋于稳定值15×105k Pa。
关键词：水射流,钛合金,SPH算法,应力分布
参考文献
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[4]佚名.Ansys-Autodyn非线性显式动力学软件简介[J].CAD/CAM与制造业信息化, 2005 (7) :73-75.
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[6]Pashby A H.Effect of traverse speed on abrasive water jet machining of Ti-6Al-4V alloy[J].Materials and Design, 2007 (28) :1953-1957.
应力作用 篇5
桥式起重机主要用于工矿企业的车间、库房以及铁路交通、港口码头等部门和场所, 用于物料的装卸和搬运。桥式起重机主梁是承担小车重量和外载荷的重要构件, 必须有足够的强度、刚度和稳定性, 以及保证在规定载荷作用下, 其主梁在弹性下挠值允许的范围内不至于发生变形造成破坏。预应力能够减少结构的变形, 增强预应力构件的强度。
Miyamoto等作了无粘结预应力筋梁的性态研究, 给出了在给定预应力值的情况下预测梁模态频率的公式, 并通过实验室测试以及现场测试结果进行了验证。Abraham等研究了预应力对梁模态的影响, 研究结果表明预应力对梁的振动模态影响很小。Saiidi等通过实验测试给出了振动频率随预应力的变化情况, 研究结果表明, 预应力对低阶振动频率的影响较为明显。上述研究均围绕梁的振动频率和振动模态展开, 而针对预应力对动态响应影响的研究较少, 本文将利用传递矩阵方法分析预应力作用下桥式起重机变截面主梁的振动特性, 给出冲击荷载作用下桥式起重机主梁的瞬态响应及其影响因素。
1 动力学模型
对于变截面梁的振动微分方程, 目前无法得到其解析解, 也无法直接采用已有的计算方法求得其振动的固有频率。因此为了使问题简化, 便于研究, 特将预应力简化为作用在梁两端的轴向力, 将预应力作用下的变截面主梁简化为轴向力作用下的三段不同截面的阶梯梁, 其中第一段和第三段截面尺寸相同。
预应力作用下桥式起重机主梁自由振动微分方程如下:
三段的振型函数可分别表示为:
2 传递矩阵方法
传递矩阵方法是一种适用于计算链状结构系统的固有频率和模态的特殊方法, 是线性振动的一种近似计算方法。它的基本思想是将研究对象分成若干个单元, 通过建立相邻两个单元的状态变量之间的传递关系, 得到整体的传递矩阵, 然后利用已知的边界条件求解相应变量。
对于预应力作用下的桥式起重机变截面主梁, 将其挠度、截面转角、弯矩以及剪力定义为状态变量, 记作Wi (x) :
Wi (x) =[yi (x) θi (x) Mi (x) Qi (x) ]T
根据传递矩阵方法可得主梁的最右端和主梁的最左端状态变量之间的关系式, 又根据简支梁左右两端已知的四个边界条件以及齐次线性方程组有非零解的必要条件可知:
上式即为预应力作用下桥式起重机变截面主梁结构的振动频率方程。采用计算机数值计算的方法, 先假定一系列频率ω的值, 并将其代入上述频率方程中, 得到一条频率曲线, 其中使频率曲线等于零的ω值就是预应力作用下桥式起重机变截面主梁结构振动的固有频率。
3 算例分析
已知桥式起重机变截面主梁的参数如下:L1=3.15m, L2=22.35m, L=25.5m弹性模量E=2.01×1011N/m2, 密度ρ=7850Kg/m3;主梁截面为箱形截面, 其截面面积分别为A1=A3=0.0389m2, A2=0.0416m2, 横截面的惯性矩I1=I3=0.0026m4, I2=0.0061m4。
首先, 利用传递矩阵方法分别计算得到没有预应力作用以及作用不同大小预应力时桥式起重机主梁的前三阶固有频率。固有频率的计算结果显示, 预应力作用下桥式起重机主梁的前三阶固有频率随着预应力的增大而逐渐增大, 而且二者几乎具有线性关系。然后, 根据各阶固有频率可以得出相应的前三阶振型。从桥机主梁的前三阶振型可知, 预应力使振型函数的节点位置发生了变化, 同时还影响振型的幅值, 使桥式起重机主梁的振幅值减小。但就总体而言, 预应力对主梁的振型影响很小。最后, 利用振型叠加法计算桥式起重机主梁在冲击荷载作用下跨中位置处的瞬态位移响应, 其中冲击荷载作用的时间步长为t=0.01s, 冲击力的大小为F0=20KN, 阻尼比ξ=0.1。计算结果显示, 主梁跨中位置处的瞬态位移响应受到预应力大小的影响, 预应力越大, 对位移响应的影响也越大;当预应力T=700KN时, 从不同时间步长所对应的瞬态响应曲线可以看出, 跨中处挠度的大小受到冲击荷载作用时间步长的影响, 随着时间步长的增大而增大。预应力作用下桥式起重机主梁不同位置处的瞬态响应显示出在主梁的跨中位置处梁的位移最大。
4 结论
本文给出了预应力作用下桥式起重机变截面主梁结构的传递矩阵以及振动频率方程。用传递矩阵方法进行振动分析的时只需要对一些阶次很低的传递矩阵进行连续的矩阵乘法运算, 在数值求解的时候也只需要计算低阶次的传递矩阵和行列式的值, 大大节省了计算工作量;其次, 传递矩阵的阶数与系统自由度数目、支座的形式, 支座的个数等都没有关系, 阶数只取决于构成结构的单元的性质, 数值上等于单元运动微分方程的阶数;结合算例, 计算出了预应力作用下桥式起重机变截面主梁的固有频率以及大小不同的预应力作用下的振动频率, 算例分析结果表明, 预应力影响桥式起重机主梁的振动频率, 使其振动频率随着预应力的增大而增大, 且两者几乎具有线性关系, 为工程设计人员提供相应的参考。
参考文献
[1]苟兵旺, 刘永寿, 何洁.轴向压力影响下裂纹梁振动特性分析[J].机械设计与制造, 2009.
应力作用 篇6
斜拉桥在外荷载作用下,主梁各关键受力部件的受力状态变化较为重要[1],也是近年来国内外研究的一项重要工作[2]。本文以一斜拉桥为背景,通过实体模型分析来探讨背景桥箱梁正应力的剪力滞效应、内力分布特性以及应力传递规律,对荷载作用下主梁顶板、底板、横隔板等构件进行受力分析,可为今后斜拉桥梁设计提供依据。
1 有限元模型
1.1 桥梁背景
三跨斜拉桥,跨径布置为(80.8+132+80.8)m,主梁采用单箱三室大悬臂斜腹板箱梁和纵、横、竖三向预应力体系,设计荷载标准为汽—超20、挂车—120、人群2.4 kPa。支点梁高3.8 m,跨中梁高2.4 m,梁高按二次抛物线变化,箱梁顶板宽27.0 m,底板宽16.24 m～17.0 m,悬臂长4.5 m,顶板厚0.25 m,底板厚0.22 m～0.45 m,边腹板厚0.5 m,中腹板厚0.3 m,边室净宽7.45 m,中室净宽1.5 m,斜拉索布置在中室,主梁除在支点设横隔板外,每根拉索锚固点处均设有横隔板。斜拉索为单索面,布置在中分带上,顺桥向集中布置在梁体的L/3跨度附近,梁上索间距4.0 m,塔上索距0.7 m,拉索采用双排索,最大索力4 100 kN,斜拉索在塔上部通过鞍座,两边对称锚于梁体的横隔板上。
1.2 模型的建立
采用通用有限元软件Ansys10.0建立模型。主梁选用8节点六面体实体单元,每节点三个自由度,即三个方向的线位移,全桥共10.5万个单元,9.3万个节点,斜拉索取用仅能承受拉力的一维索单元Link10。拉索编号从左向右依次为第10号～第1号,模型的混凝土弹性模量E=3.5×104 MPa,泊松比μ=0.16,容重γ=25.77 kN/m3,斜拉索弹性模量E=1.9×105 MPa,泊松比μ=0.3,容重γ=76.447 kN/m3。
2 荷载及边界条件
荷载采用《公路桥涵设计规范》中的汽—超20、人群、结构自重、预应力以及斜拉索初始索力。汽—超20按规范要求的车队间距布载,将这些集中荷载转换为等效的分布面荷载布置在桥面上,并与其他荷载进行叠加,由于背景桥的预应力钢筋全部为直束,所以本文用集中力来模拟预应力,斜拉索的初始索力是通过在索单元上加初应变来实现。边界条件为:主梁一端简支,另一端固定;斜拉索一端与主梁相连,另一端固定。
3 计算结果及分析
3.1 顶板应力分析
从图1可以看出,在使用荷载作用下顶板以受压为主,压应力不大,处于0.16 MPa～9.2 MPa之间,从纵向看,顶板最大压应力发生在最外层拉索附近,应力达到9.2 MPa,从最大压应力位置向顶板固定端方向移动,压应力逐渐减小,在主梁固定端,顶板出现小范围的拉应力,从最大压应力位置向简支端移动,压应力减小,但幅度不大,在简支端附近仍以压应力为主,数值达到4.6 MPa。从上面压应力沿顶板纵向的分布规律,我们能看出顶板整体处于受压状态,但压应力储备不大。从横向看,顶板正应力最大值处于横向靠近外面两侧。背景桥越靠近主梁固定端,顶板压应力越小,这里的原因我们可以通过梁桥主梁平面杆系弯矩图来说明。在顶板最大压应力处主梁弯矩最大,此处弯矩使顶板受压,在固定端,顶板出现拉应力而主梁在这里的弯矩为“-”的最大,该弯矩使顶板受拉,主梁弯矩图的变化造成顶板拉压状态的改变,活载状态主梁平面杆系弯矩图所造成顶板的受力状态与背景桥顶板所表现的情况是一致的,这说明部分斜拉桥顶板在使用荷载作用下的受力特性由活载控制,这也说明部分斜拉桥的受力特性更接近于梁式桥。
3.2 底板应力分析
底板受力较顶板复杂,拉压现象并存,最大拉应力发生在第10号拉索10 m前后,数值超过混凝土的抗拉能力,达到5.2 MPa,这一区段基本上处在边跨合龙段位置。过了这一拉应力区以后底板主要承受压力,从最大拉应力位置向底板固定端移动,压应力逐渐增大,在固定端压应力达到11.5 MPa。 同顶板的正应力分布规律相似,我们能从主梁在活载作用下的平面杆系弯矩图找到答案,这里再次说明部分斜拉桥的受力特性更接近于梁式桥。底板主拉应力有拉、压两种情形,最大拉应力为4.3 MPa,分布范围比较大,从第10号索向内24 m向外10 m全部为拉应力,数值为1.2 MPa,除了这一区域外底板受压。从底板主拉应力分布情况我们能够看出,背景桥底板预应力需要加强(见图2)。底板主压应力在整个底板上的分布较为均匀,主压应力最大值位于主梁的固定端,数值为19.8 MPa,整个底板所受的压应力较小。
3.3 横隔板应力分析
从图3可以看出,横隔板应力分布比较复杂,以受拉为主,大范围内拉应力较小,拉应力峰值出现在横隔板与顶板、底板、腹板相连的地方,最大值达到1.82 MPa,在横隔板与顶板、底板、腹板相连的局部位置出现了很小的1.7 MPa压应力。可以认为对于1号,2号拉索所在的横隔板来说,设计时要注意其拉应力。图3b)同样说明横隔板以受拉为主,不过拉应力很小,仅为0.64 MPa,在横隔板与顶板、底板、腹板连接的部位出现了压应力,但压应力很小,仅为1.7 MPa,总的来说,9号,10号拉索所处的横隔板是比较安全的。
4 结语
顶板在使用荷载作用下以受压为主,压应力不大,底板受力较顶板复杂,拉压现象并存,最大拉应力发生在最外层拉索10 m前后。底板主压应力在整个底板上的分布较为均匀。全桥横隔板主压应力数值很小,这些主压应力在横隔板中分布很有规律,即从横隔板与底板相连的部位过渡到与顶板相连的部位,压应力逐渐增大,最大值位于横隔板顶部。
从本文分析看出,对主梁的顶、底板配置横向与竖向预应力还是必要的,它们使桥梁结构承受更多的压应力,并能有效控制在运营状态下主拉应力的出现,发挥混凝土自身的优势。
摘要：通过使用有限元软件Ansys10.0,建立斜拉桥3D模型,对荷载作用下主梁顶板、底板、横梁等部件应力进行仿真分析,得出顶板在使用荷载作用下以受压为主,压应力不大,底板受力较顶板复杂,拉压现象并存,最大拉应力发生在最外层拉索10 m前后。
关键词：斜拉桥,荷载,三维模型,主梁,应力
参考文献
[1]陈德伟,范立础.独塔斜拉桥的总体布置和参数研究[J].土木工程学报,1999(5):37-40.
[2]A.E.Naamam.A New Methodology for the Analysis Beams Pre-stressed With External or Unbonded Tendons[J].Exteral Pre-stressing in Bridges,2003(7):15-16.
[3]王勖成.有限单元法基本原理和数值原理[M].北京:清华大学出版社,1995.
应力作用 篇7
近年来, 车用汽油发动机广泛采用涡轮增压器, 以达到减少燃油消耗、降低排放、提高发动机效率的目的。其工作原理为利用发动机排放废气驱动涡轮, 并带动同轴的压气机叶轮转动, 以增加进气量, 实现发动机增压[1]。车用涡轮增压器是工作在高温环境下的高速旋转机械, 由于车辆的排气温度高达700℃以上, 致使增压器转子的涡轮端温度远高于压气机叶轮温度, 在转盘和转轴上产生热传导。有关温度分布对转子振动特性的影响研究较少, 何鹏等[2]考虑转子材料弹性模量随轴向温度变化, 建立了考虑转子轴向温度分布的有限元模型, 体现轴向温度分布对转子刚度矩阵的影响。陆山等[3]采用传递矩阵法计算某型航空发动机多转子系统的热弯曲稳态响应。白晓林等[4]通过ABAQUS软件分析了热弹耦合对汽轮机转子系统固有频率及稳定性的影响。张婷婷等[5]通过ANSYS构造了航空发动机双转子温度场, 分析了温度场作用下双转子系统的临界转速和不平衡响应。
考虑温度场作用下转轴的材料参数将发生改变, 并且产生了热应力, 进而带来转轴的热弯矩, 影响转子的刚度, 对涡轮增压器转子的振动特性具有较大的影响。本文采用有限元法对涡轮增压器转子在温度场作用下的应力变化规律进行分析, 为进一步研究转子系统的动态特性提供理论基础。
1 建立涡轮增压器转子有限元模型
车用涡轮增压器转子系统主要由涡轮、压气机叶轮、转轴等组成。本文选择从制图软件UG中进行三维建模, 并通过UG三维软件与有限元软件ANSYS接口, 将模型导入到ANSYS的分析模块中来。涡轮增压器转子建模中考虑到部分圆角、倒角对网格质量有较大影响, 在不影响分析的基础上本文忽略了部分圆角、倒角的几何建模。其中转子几何模型的各参数如下:
转轴的密度为7820 kg/m3, 材料的弹性模量为200 GPa, 泊松比为0.3, 热膨胀系数a=0.0000 125/℃, 导热系数k=5W/ (m·℃) ;压气机叶轮材料密度为2680 kg/m3, 材料的弹性模量为72GPa, 泊松比为0.33, 热膨胀系数a=0.00 001 25/℃, 导热系数k=50W/ (m·℃) ;涡轮材料密度为8000 kg/m3, 材料的弹性模量为176GPa, 泊松比为0.3, 热膨胀系数a=0.000 012 5/℃, 导热系数k=50 W/ (m·℃) 。
转子结构采用四面体单元、自由网格划分方式, 其有限元模型如图1所示。
2 稳态温度场下涡轮增压器转子的应力分布规律
考虑涡轮增压器转子的实际工作温度条件, 构造转子工作的稳态温度场。涡轮端温度为1000℃, 压气机叶轮温度为20℃。在ANSYS软件中分别输入涡轮和压气机叶轮温度后, 进行稳态热分析, 获得转子系统的稳态温度分布如图2所示。
在计算转子的稳态温度分布后, 将温度场计算结果作为体载荷施加到结构分析中, 进行热结构耦合分析。后处理阶段, 通过ANSYS内置的后处理选项能够较为方便地读取应力分析结果。由于涡轮增压器转子转速较高, 本文考虑转子转速分别为1000、5000、10000、20000 r/min时, 其应力计算云图结果如图3~图6所示。
通过不同转速条件下的涡轮和压气机叶轮应力云图, 分别得到最大等效应力结果参见表1。
由表1, 分析不同转速条件下涡轮和压气机叶轮的最大等效应力, 可知涡轮增压器转子在稳态温度场作用下, 随着转子转速的增加, 转子涡轮的最大等效应力逐渐增长, 最大应力的位置发生在叶片顶端。与之相反, 压气机叶轮的等效应力呈现较弱的下降趋势, 最大应力位置在叶轮与转轴连接处。
3 瞬态温度场下涡轮增压器转子的应力变化规律
与稳态温度场不同, 瞬态温度是指转子系统的加热或冷却过程。考虑涡轮增压器不同的运行条件, 施加压气机叶轮端恒定温度载荷为20℃, 假定施加在涡轮的温度在30 s内由700℃上升为1000℃。在ANSYS中施加温度载荷, 设定温度及时间参数, 获得涡轮增压器转子的瞬态温度分布云图如图7所示。
计算转子的瞬态温度分布后, 进行热结构耦合分析。为了便于比较, 同样分别考虑转子转速为1000、5000、10 000、20 000 r/min时, 计算涡轮与压气机叶轮的应力云图结果如图8~图11所示。
考虑瞬态温度场条件, 不同转速时的涡轮及压气机叶轮的最大等效应力计算结果, 见表2。
图8~11表明, 在不同的转速范围内, 涡轮和压气机叶轮的应力分布特点较为一致。由表2, 在瞬态温度场条件下, 分析不同转速时涡轮和压气机叶轮的最大等效应力结果, 得知随着转子转速的增加, 转子涡轮的最大等效应力逐渐增长, 这与稳态温度场作用结果规律相似, 但涡轮的最大应力的位置发生在叶片底端。不同的是, 随着转速的不断增加, 压气机叶轮的等效应力呈现增长趋势, 应力在叶轮的叶片根部存在较明显的应力集中。
图9考虑瞬态温度场的转子应力云图 (转速=5000 r/min)
图10考虑瞬态温度场的转子应力云图 (转速=10000 r/min)
图11考虑瞬态温度场的转子应力云图 (转速=20 000 r/min)
4结论
本文采用有限元软件ANSYS计算温度场作用下涡轮增压器转子的应力变化规律, 依据涡轮增压器转子的不同工作条件, 分别考虑稳态和瞬态热传递过程中的温度分布, 采用热结构耦合分析, 计算不同转速条件下涡轮增压器转子的涡轮与压气机叶轮的应力云图, 并得到最大等效应力。结果表明:1) 稳态温度载荷作用下, 转子的温度分布呈现线性关系, 这与瞬态温度分布有着明显的不同;2) 无论是稳态与瞬态温度场, 转子涡轮的最大等效应力随着转速的增加不断增大, 但压气机叶轮的应力变化规律有所区别, 稳态温度场时最大等效应力逐渐降低, 而瞬态温度场作用时, 最大等效应力随着转速增加却不断增大。
参考文献
[1]张俊红, 李志刚, 王铁宁, 车用涡轮增压技术的发展回顾、现状及展望[J].小型内燃机与摩托车, 2007, 36 (1) :66-69.
[2]何鹏, 刘占生, 刘镇星, 考虑杨氏模量随轴向温度分布变化的转子有限元建模方法研究[J].振动与冲击, 2012, 31 (14) :22-26.
[3]陆山, 赵明, 任平珍, 等.某型发动机转子热弯曲变形及其影响数值分析[J].航空动力学报, 1997, 12 (3) :243-246.
[4]白晓林, 荆建平, 谢帆, 等.变工况下主汽轮机转子热弹耦合特性研究[J].汽轮机技术, 2012, 54 (1) :26-28.
应力作用 篇8
本研究取XXX油田XX区块的一组井, 以图中方框内所示的区域研究对象模拟注水压力对地应力及套管应力的影响, 在区块地应力分析中, 将油层和上下两个盖层及相应井的套管作为研究对象, 考虑地层构造应力及上覆岩压力引起的地应力场和各层、各井位的注水压力对地层和套管的影响。将地应力场和渗流场做直接耦合, 进行有限元分析。从而得到地层应力场的分布状态和套管的受力变形情况, 最终完成局部套管损坏的机理研究。
1.1 地层与套管应力有限元分析理论
在渗流理论研究的基础理论上, 考虑岩土等的多孔介质, 其力学行为和孔隙中的流体有着密切的关系。如果用
σT=[σx, σy, σz, σxy, σyz, σzx]表示作用在多孔介质上的总应力, 用p表示孔隙中流体的压力, 则有效应力为:σ'=σ+mp
式中, Tm=[1 1 1 0 0 0]。假设多孔介质骨架为线弹性固体, 其变形由有效应力σ引起, 所以应力应变关系为:σ'=Dε
式中, εT=[εx, εy, εz, εxy, εyz, εzx]为应变矩阵, 而D为弹性矩阵:
通过上文渗流场的有限元格式, 应用Galerkin加权余量法, 可以得到渗流场的有限元求解方程为:
可以得到多孔介质流固耦合系统的有限元求解方程为:
1.2 模拟计算
1.2.1 物理模型的建立
取图1-1中的区块为研究对象, 分析注水压力引起套管损坏的机理。模型共分两大部分, 即地层部分和套管部分。其中地层共分三层分别模拟盖层及油层, 各层物理特性的不同通过弹性模量和泊松比来进行区分。这一区块共包含9口井, 其中2注7采, 由于采油井关于两注水井连线对称, 为减小计算量, 取一半井作为研究对象, 即模型取注水井2口, 采油井3口。按实际布井方式绘制模型, 模型中包含注水井与采油井, 完全考虑到了水—水, 油—水和油—油井间的干扰问题。
模型中流场模拟部分采用达西定律, 设置盖层为不透水层, 渗流场分析仅在油层进行。注水井与采油井均设置为压力边界条件, 油层侧边及油层与盖层交接面处设置为零, 分析计算注水压力对地应力的影响及地应力的变化引起套管应力的变化情况。根据实际情况做合理的简化后我们建立了相同渗透率和不同渗透率的地层计算模型, 模型如图1-2和图1-3所示:
1.2.2 渗流场分析
渗流压力分析采用的原始数据如表1-1。通过有限元分析计算, 可以得到油层压力分布和流体流动方向等参数。
由地层不同渗透率下孔隙流体流线图分析表明, 水井处地层孔隙压力偏高, 油井处地层孔隙压力偏低, 多井之间存在着干扰。由渗流速度图可见, x方向的渗流速度在水井处较高, 井的一侧为正, 一侧为负, 这些都与实际情况吻合。
通过对地层渗流场的模拟计算再加以分析后, 可以得出以下两点结论:
(1) 通过压力等表面分布图可以看出地层渗透率的不同影响着渗流压力的分布和渗流速度的分布, 渗透率大的地层渗流压力压降梯度和渗流速度降梯度均变大, 渗流压力的分布进而影响地应力。
(2) 从各井井间压力分布曲线图可以看出注水井处渗流压力过大, 存在着明显的憋压现象, 此处地应力受到极大的影响, 因此在注水初期, 注入速度过快, 可能引起注水井套管损坏。
1.2.3 地应力与套管应力分析
模型参数如下:油层内泊松比0.21, 杨氏模量12000 MPa;油层外取0.26, 杨氏模量10000 MPa;最大和最小水平应力以及垂向力由实际计算获得。
由于注水压力的影响, 油层的变形要大于盖层, 套管的变形最大值处也发生在油层部位。同时做了注水压力从16Mpa~21Mpa条件下, 注水井套管和采油井套管米塞斯应力值关系。结果表明:
一是油层的变形量最大, 沿中心向外扩张越来越小, 在接近边界的地方变形趋近零, 因此, 在实际油田注水开采过程中, 应加强各区块中心地带的套管强度等级。二是由于地层应力的不均匀性, 导致套管受椭圆形的外挤力作用, 注水井的受力较采油井的受力要大, 分析主要原因是渗流压力对地层的影响较大, 受力较大。
2. 实际效果分析
对于水驱开发油田, 合理地控制好注水压力, 控制在地层破裂压力下注水, 是减缓套损速度的重要方法。因此近几年来, 对顶部油层和夹层较薄的油层, 朝阳沟油田采取周期注水方式, 对易发生套损的青山口地层和扶余上部油层组, 起到了较好的控制作用, 年度套损井数和套损发生率保持平稳的态势。
3.结论
1、注水井处渗流压力过大, 存在着明显的憋压现象, 此处地应力受到极大的影响, 因此在注水初期注入速度过快, 可能引起注水井套管损坏。
2、由于地层应力的不均匀性, 导致套管受椭圆形的外挤力作用, 在这种载荷的作用下, 套管的抗外挤强度大大降低并且随载荷椭圆度的增加套管的强度随之降低, 当套管局部达到其屈服极限时即使套管外载荷不再增加但套管还将发生变形, 最终使套管破坏。
3、注水井的受力较采油井的受力要大, 分析原因, 主要是渗流压力对地层的影响较大, 受力较大。
4、在注水压力每增加1Mpa, 注水井套管Mises应力增加约10Mpa, 采油井套管Mises应力增加为15~20Mpa且均为线性增加。因此随着注水压力的不断提高和油田开采年限的增加, 先期注水井发生套损较多, 后期则为采油井套损数增多。
摘要：油层注水后, 地应力会随注水压力的变化而发生改变, 进而使套管的受力发生变化, 因此引起了套管损坏。该项研究是根据局部区块地层特征, 综合考虑油水井分布状态、开发情况等因素, 应用有限元分析方法得到区块内地应力分布状况, 研究地应力随地层压力变化规律, 从而找到套管损坏的根本原因, 从而揭示出局部套损机理。
关键词：地应力,有限元分析,套损机理
参考文献
[1]《油田油水井套管损坏的机理及防治》王仲茂等编著石油工业出版社1994
[2]《油藏数值模拟》哈利德.阿齐兹[美]安东尼.赛特瑞[[加]石油工业出版社2004.3
[3]《油田开发应用地球物理》蔺景龙等编著石油工业出版社1996.3
锤击桩动应力作用下的有限元分析 篇9
桩基础是一种稳定性好、承载力好、沉降及差异变形小、地基沉降稳定快、抗震能力强及能适应各种复杂地质条件的基础形式。同时桩基础也是一种深基础, 能够避开地面以下大厚度或一定厚度不适应工程荷载的软弱地层, 使其基础伸展到更能胜任的土层上。该基础的设计简单, 施工速度较快。桩基是国内外广泛采用于多种结构体系的基础类型, 实践表明, 它具有承载力可靠, 沉降小, 能承受垂直荷载、水平荷载、上拔力及振动或动力作用等特点, 在软弱地基、可液化土地基 (或天然地基沉降量过大) 、精密设备基础及动力设备基础等地基上的条件下, 由于桩基承载能力大, 沉降量小, 施工技术发展很快, 因而还是被广泛应用于高层建筑和软弱地基加固上[1]。
现价段, 在桩基础的施工中, 主要有锤击和静压两种方式, 锤击法是最常用的一种。其施工机具主要包括打桩锤和打桩机两大部分, 常用的打桩锤有柴油锤和液压锤。锤击法的施工原理是利用桩锤的冲击作用, 产生动能, 克服土壤对桩的阻力, 使桩端沉到预定的设计深度或达到地基持力层[1]。根据地质结构情况和单桩承载力的设计要求, 锤击桩在现阶段的桩基工程中经常被采用。但是, 在施工过程中, 因土层和施工工艺的不同, 经常会发生打桩的质量问题, 如桩头破碎、桩身破坏、桩位偏斜等, 妥善解决这些问题是打桩工程成败的关键。本文利用有限元分析软件, 对桩锤冲击桩顶后的动力过程和桩身的动态应力场的分布进行分析, 以便了解打桩过程中桩身不规则的应力集中、桩锤速度的、桩材质量等对桩本身应力的影响。从而改善桩身形状、材料、变换锤击速度, 以较少锤击桩的质量问题, 提高施工效率, 减少工程成本[1]。
1 锤击桩动应力有限元分析
1.1 简化计算
(1) 为了使问题分析得以简化, 将落锤对桩顶的冲击作用取为三角形的周期脉冲荷载形式, 其每个周期持续时间为5.0ms。荷载--时间历程曲线如图1所示。
将锤击荷载看成是一系列的脉冲荷载的连续作用, 每一个脉冲荷载都将产生一个动力反应增量, 利用叠加原理, 把所有的反应增量按时间顺序累加起来就得到了结构体系的动力反应。单自由度体系在时刻受到单位脉冲荷载的作用, 则其动力反应满足方程[2]。
式中δ (·) 为Diracδ函数。方程的解为
式中ζ为阻尼比;ωD是阻尼结构自振频率, , 其中ωn为无阻尼结构自振频率。
(2) 本文主要分析桩顶在受到冲击作用后桩身的动应力分布, 为避免土体的本构关系, 土层分布等因素给分析造成不必要的困难, 在分析中仅考虑两种极端情况: (1) 对于桩端打到岩层或坚硬的土层的情形, 桩端几乎不能下沉, 此时桩端的实际约束可视为固定端。 (2) 对于桩端打到软弱的淤泥土中的情形, 土层几乎不能对桩端位移形成任何阻碍, 此时桩端实际可视为自由端。
对上述两种情况的动力有限元分析, 可了解打桩过程这一动力问题的主要特征, 进而提出对桩本身及桩锤设备的相应改进措施, 使其在打桩过程中, 变换合适的锤击速度, 确定合适的锤击次数, 确保桩身的应力分布更加合理, 避免发生断桩和坏桩现象, 减少桩的浪费, 缩短工程工期。
1.2 模型的建立
本文中的计算模型为钢筋混凝土圆桩, 直径为500mm, 桩身长度为20m。采用显式体单元solid165对桩体进行单元划分。材料的密度为2500kg/m3, 弹性模量为3.0e10Pa, 泊松比取0.2。
1.3 荷载及位移边界条件的施加
由于本文分为两种情况进行分析。第一种情形, 桩端位于软弱土层, 按桩底为自由端考虑;第二种情形:桩身打到坚硬土层, 按桩底为固定端考虑。对两种极限情况下桩身动应力分析, 可以确定在打桩锤的作用下, 重锤的动能在桩身的传递和转化过程。
2 计算结果分析
利用ANSYS中LS-POST后处理软件, 可以获得不同结点、不同单元的应力、应变以及位移值随时间的变化情况。在LS-POST后处理界面中, 读入计算结果数据文件d3plot, 即可图形显示各种计算结果[3]。
2.1 桩身不同结点位移时间历程分析
为了显示桩身沿不同深度随时间的变化过程, 分别选择沿桩身0m、5m、10m、15m、20m处结点, 其竖向位移时间历程曲线如图2所示。
由图2所示, 在第一种情况下, 即桩端位于软弱土层, A曲线为桩顶处结点在锤击过程中位移随时间的变化历程, 从图中可以看到A点最早出现位移响应;B、C、D点随后出现位移响应。A节点处在0.004s后的较长时间内位移值保持不变。E点对应桩底面节点的位移, 由于桩底为自由端, 其出现位移响应后位移值急剧增加, 直至应力波消失后, 位移保持不变。
图3中第二种情形, 即桩身打到坚硬土层, A曲线代表的是桩顶节点随时间的位移变化, 由于A节点处于桩顶, 故最早出现位移响应。随着应力波脉冲在桩身的传播, B、C、D点依次出现位移响应, E曲线代表桩底节点的位移响应, 因为在计算模拟过程中, 假设土体打入坚硬的岩层中, 所以桩底部的位移始终为零。在时间为0.008s后, A、B、C、D四点均达到位移最大值, 这说明由桩顶处传来的压力波, 经桩底反射后在不同位置叠加, 达到峰值后开始衰减。
2.2 桩身不同结点应力时间历程分析
由图4所示, 在第一种情况下, 即桩端位于软弱土层, A曲线为桩顶单元的应力变化历程, B、C、D曲线分别代表应力波传递过程中桩身不同深度出的应力值, E曲线为桩底单元的应力变化历程。由于桩打入的是软弱土层, 桩端阻力很小, 所以由桩顶处传递至桩底的压应力波反射后成为拉力波, 两种波形的叠加使得桩底处的应力为零。此种情况下, 由于土体的粘聚力很小, 桩端阻力贡献极小, 桩端处一般不会发生破坏, 但是如果锤击荷载过大, 造成桩身中部拉应力过大, 便极易出现断桩现象。
图5所示, 第二种情形, 即桩身打到坚硬土层, A曲线代表桩顶单元的应力变化历程, B、C、D单元曲线分别代表应力波传递过程中先后经过的一些单元, 这几个单元的应力时间历程体现了应力波的传递特点, 可以很明显的看出入射波和反射波的变化过程。如D曲线所示, 在0.006s之后入射波与反射波叠加, 使得此刻D单元的应力值明显增加;在0.01s之后, 两者分开并且应力值逐渐减小。E曲线对应于桩底处的单元, 由于土体打入坚硬的岩层中, 因此在桩顶处传来的压力波经反射后仍然是压力波, 且幅值与入射波相同, 两波叠加的结果使得幅值加倍。所以在桩底处由于反射波不会衰减, 两者叠加后其应力值是最大的。由此可以看出, 当桩体打入较坚硬的土体时, 因反射波不会衰减, 使得桩端阻力很大, 容易造成桩尖处的破坏。
3 锤击桩质量控制措施
通过对打桩过程中桩身的动应力分析, 可以清晰地了解桩身的每个部位的应力变化过程, 确定桩身在打入不同土层, 以及不同锤击速度对打桩质量的影响, 根据以上的分析可以采取行之有效的措施对打桩过程进行质量控制, 确保每根桩都能发挥其最大承载力, 同时减少桩的浪费, 减少工程成本。为了充分发挥每根桩的承载力, 单个工程可选用各种不同规格的管桩和打桩锤进行施打[1]。
对于桩体打入软弱土层时, 即有限元分析的第一种情况, 此时由桩顶处传递至桩底的压应力波反射后成为拉力波, 两种波形的叠加使得桩底处的应力为零。其最大拉应力云图如图6所示, 如果锤击荷载过大, 造成桩身中部拉应力过大, 便极易出现断桩现象。所以在打桩过程中, 要控制打桩速度不能过快, 以防桩身中部拉应力过大发生断桩现象。
对于桩体打入具有一定硬度的土层时, 即与有限元分析的第二种情况大致相同, 其桩身应力变化如图7、8所示此时桩尖处由于入射波和反射波的叠加, 应力很大, 容易发生破坏。桩尖破坏部位大部分在混凝土弹性垫下, 其一个棱角先破坏, 而后发展到两面、三面。由于桩头混凝土强度不足, 桩头钢筋设置不合理, 锤击偏心, 桩垫厚度不足, 施工方案不合理等, 易产生桩头破损情况[4]。打桩用的桩帽和桩帽内的垫材, 是均匀分布打桩应力的技术措施。同时对减少桩锤对桩的直接损坏, 也有着重要的防护作用。桩帽大小要适当, 间隙过大则会引起歪斜, 打桩偏心。桩帽内的弹性垫层, 主要用以缓和冲击力, 降低打桩应力。最佳的桩帽与桩周边的间隙应为5～10 mm。垫材一般选用松木板、草垫或麻袋, 同时要根据损耗情况, 经常更换, 不能长期反复使用。如木板发硬烧焦, 桩帽出现歪斜, 就要及时处理。锤击沉桩, 锤重十分重要, 大锤打小桩或小锤打大桩, 都容易把桩打坏[5]。“重锤低击”是一种可被理论证实的有效打桩方法, 对降低打桩应力, 提高贯入度, 减少桩的损坏有良好的效果。
选择桩锤时, 必须充分考虑桩的形状、尺寸、重量、入土长度、结构形式以及土质、气象等条件, 并掌握各种锤的特性。桩锤的夯击能量必须克服桩的贯入阻力, 包括克服桩尖阻力、桩侧摩阻力和桩的回弹产生的能量损失等。
从防止桩被打坏方面考虑, 还可以桩的材质强度为主来控制打桩应力, 以不超过材质强度为宜。国内外一些选锤规定, 大都也是用应力控制。把好钢筋混凝土预制桩的制作质量关。混凝土外形尺寸不符合要求、强度低的抗打性低的桩, 打桩措施采取得再好再全面, 也是枉然。混凝土桩的制作质量必须达到以下标准: (1) 混凝土强度符合设计要求, 浇捣密实, 严格遵守浇筑程序, 中间不得间断和留有施工缝。 (2) 混凝土配比良好, 原材料合格, 粗骨料以级配良好的碎石为宜。 (3) 养护好, 龄期足。 (4) 桩顶平, 桩身直, 桩尖正, 外观及几何尺寸符合规范标准。 (5) 主钢筋切割齐平, 不得露顶, 有足够的保护层[5]。
4 总结
本文通过有限元软件对打桩过程中桩身应力及应变的变化过程的分析, 直观显示了打桩过程中锤击荷载在桩身任意位置的传递过程, 以及应力波的传播对桩身各个部位的影响, 对实际工程具有指导作用。
(1) 通过有限元软件的后处理操作, 对锤击过程可进行动画仿真模拟, 实现对打桩全过程的动应力分析。
(2) 针对打桩过程桩身的动应力变化, 提出切实可行的质量控制措施, 并综合考虑采取相应处理方案。
(3) 由于打入桩工程施工出现质量问题处理起来要花费大量人力物力, 所以保证打桩质量是提高工程质量, 减少工程造价的重要因素之一。
参考文献
[1]钟文辉.预制打入桩在施工中的技术措施[J].山西建筑.2004, 30 (2)
[2]结构动力学[M].北京:机械工业出版社2005, 5
[3]ANSYS10.0LS-DYNA基础理论与工程实践[M].北京:中国水利水电出版社.2006, 4
[4]李甫, 王离.浅析锤击管桩与静压管桩的若干区别[J].广东土木与建筑.2004 (7)