车辆荷载对土石坝坝顶道路的影响分析

2021-03-25谢秀新黄华

河南水利与南水北调 2021年1期

谢秀新，黄华

(蚌埠市水利勘测设计院，安徽蚌埠 233000)

1 工程概况及研究目的

津桥湖水库位于四川省巴中市，为一座小(1)型景观水库，大坝为粘土心墙坝，最大坝高40.55 m，坝顶高程395.50 m，坝顶宽30.00 m，坝顶连接巴中市城区二环路，以坝带路，车辆密集，车辆荷载对坝体安全至关重要。

国内许多水库大坝都会有通车需求，尤其是土石坝，在车辆荷载作用下坝体产生的变形比自然沉降更加剧烈，给大坝带来严重安全隐患。运动的车辆作用于坝顶时，坝体会呈现什么样的特性，即坝体在车辆荷载作用下动力响应问题。另外，确定合理、可行的路基工作区深度，对确保路面不发生破坏具有实践意义。文章主要从公路工程的角度探究坝体(即路基)在车辆荷载作用下的动力响应以及路基工作区的深度影响范围。

2 计算方法

车辆荷载作为一种动态荷载，作用与路面的时间十分短暂，可视为对路基施加的附加荷载。常用于模拟车辆荷载的模型有：移动恒载；稳态(谐和)荷载；冲击荷载；随机荷载，见图1。

图1 典型动力荷载图

移动荷载相对于其它几种荷载形式能够最充分的反应真实的情况，实际道路是三维的，移动荷载能体现道路纵向的情况，可以根据时间间隔的不同来体现出不同的速度情况，故选用移动恒定荷载。通常情况，轮胎与道路接触面可认为是椭圆形的，但椭圆在计算时存在一定困难，一般不用椭圆形而是采用矩形，因为在用有限元软件模拟移动荷载时，更加方便施加荷载。

模拟移动恒载的原理如下：把路面分为若干个小块，即划分为若干个单元，把汽车荷载作用于相对应的单元上，然后隔一定的时间移除本单元上的荷载，与此同时，在把它作用于下一个单元上，这样就模拟了一辆汽车在路面上的运行情况，如图2。

图2 路面典型移动恒载图

瞬态动力分析，也叫时间历程分析，是反映结构动力响应的一种方式，模拟结构承受的荷载随时间而改变。因为荷载与时间相关，需考虑惯性比与阻尼的作用。根据Hamilton原理，基本运动方程为：

(1)

阻尼是所有物体均有的属性，体现在运动中的能量损耗，阻尼的大小与材料自身及周围介质有关。

粘滞阻尼理论广泛应用到动力分析中，该理论假定阻力源于材料内摩擦角，其值的大小与速度呈正相关，方向跟速度相反。线型阻尼力：

(2)

[C]=α[M]+β[K]

(3)

式中，α和β称为阻尼常数，通过振型阻尼比ξi求得，振型阻尼比ξi是指振型i的实际阻尼与临界阻尼之比，如(4)、(5)式：

(4)

(5)

式中：ξi=ξj=0.05；固有圆频率ωi可先计算模型的自振频率，然后通过它们之间的关系求得。

3 计算模型

根据津桥湖水库大坝的设计资料，选取典型断面，建立局部ANSYS三维模型，模型选取车辆行驶方向长15.00 m，横向宽30.00 m，深度40.00 m，从上到下共分为4层，依次为面层、基层、底基层、路堤，各层间为无滑动接触。选取Solid 45为模型单元。为了计算尽可能准确，作用区域网格划分稍密，底部及侧面网格单元约束采用限制位移，计算模型见图3。材料参数取值参考类似工程及《公路沥青路面设计规范》附录E。因路面材料刚度较大，模拟分析中考虑为线弹性材料，坝身作为公路的路基，考虑为弹塑性材料。汽车模型采用200 kN(20 t)的三轴货车模型，阻尼常数引用文献α=1.54，β=0.001 6。路基弹性模量取值参照类似工程得出，取值见表1。

4 加载值选取及加载过程模拟

分析采用车型为(200 kN)20 t的重型货车，前轴为单轮单轴，轴载40 kN，后轴为双轮双轴，轴载均为80 kN，前后轴间距4.08 m，后轴间距1.43 m，轮间距1.82 m。为求得轮胎对地作用时间，模拟加载历程，可将轮胎与地面的接触面积简化为矩形。实际接触面积可看做由矩形与2个半圆组成，根据接触面积相等的原则，即可求出等效的矩形尺寸，如图4所示。

图3 ansys三维计算模型简图

表1 路基结构及力学参数表

图4 接触面积简化图

Ac=0.4L×0.6L+(0.3L)2×π=0.522 7L2

(6)

(7)

计算时汽车3个轴全部考虑进去，单个轮胎承受的重量均为20 kN，假设前轴单个轮胎作用于1个单元，那么后轴单个轮胎作用于2个单元。

通长情况轮胎对地胎压约0.40～0.70 MPa，计算取上限值0.70 MPa，均匀作用于接触面。已知作用力20 kN，压力700 kPa，易求出接触面积，再根据图5中等效矩形的长宽比例关系，即可求出其值，见表2。

表2 等效矩形尺寸计算结果表

计算假定车辆前移速度为45 km/h(即12.50 m/s)，则作用于一个单元上的荷载F的时间t=0.204/12.50，即为1.63×10-2s。模拟加载过程可视为在1组单元上依次施加面荷载F，持续1.63×10-2s后再删除F，荷载前移，再持续t时间。这样就模拟了汽车以45 km/h前进工况。如果采用不同的车速，只需重新计算作用在每组单元上的时间即可。在ANSYS中，可通过APDL语言，阶跃加载的方式来模拟移动荷载，应用瞬态完全法(Full)实现上述过程。

5 计算结果分析

5.1 应力峰值分析

取汽车行驶方向断面K-K(图5)分析汽车作用下路基的响应值(深度0.20 m)。计算结果(见表3)表明，路基在同一深度应力峰值最大点在后轴车轮正下方(图5中B点)，峰值最小点在车轴左右轮中间(图5中D点)。这也符合实际情况，距离作用点越远，其应力值越小。因此选取B点做为对路基不同深度响应研究的基点。

图5 接触面积等效图

表3 KK断面应力峰值表

5.2 路基沿深度方向的动力响应分析

基点B正下方路基不同深度处的应力随时间(竖向)响应变化情况如图6～10。

从图6～10的规律可以看出，在路基浅层，应力的响应十分明显，车辆轴载每次通过1次均会形成一个明显的应力峰值，货车模型为3轴，故在浅层产生了3个比较明显的峰值。当路基深度增加，3个峰值就相对减弱，尤其是后轴的2个峰值，当路基达到一定深度后就叠加融汇在一起了，另外，在应力值上也呈现出比较明显的衰减趋势，在路基一定深处，应力的滞后效应比较显著，即产生了应力扩散。