沉入式大圆筒结构的力学性能试验研究

沉入式大圆筒结构的力学性能试验研究

1大重现代事结构的数值分析沉降大圆结构属于空间圆柱形壳体结构。沉降基质与填充土、内填充土和基底土之间存在复杂的相互作用关系。这种结构受力复杂且荷载难以准确确定,同时由于土的本构关系及其与结构相互作用的机理复杂,因此使得沉入式圆筒结构内力很难用解析方法或简单的结构力学方法计算。现在大多采用有限元或有限元与边界元耦合等数值方法求解大圆筒结构内力。但由于数值计算方法需建立数学模型和引入计算参数,数模和参数是否合理、正确,需物理模型试验和原型观测验证。迄今为止,圆筒结构的内力试验研究国内尚未开展过,国外也未曾报道有关的试验研究成果,因此这项研究工作有很大意义。本试验研究的目的是测定和分析沉入式圆筒结构在不同埋深和不同荷载作用下的内力大小及其变化规律,以期为建立合理的圆筒结构内力计算模型提供试验依据。2筒体及含砂体弯矩测量为模拟原型工程的受力状态,模型为三个并列的圆筒,中间为测试筒,两边筒用以构成原型结构的平面受力状态。筒高H=100cm,外径D=40cm,内径d=37.6cm,壁厚δ=1.2cm。模型筒材料选用各向匀质的有机玻璃,经材料试验,有机玻璃弹性模量E=3.7×105N/cm2,泊桑比μ=0.4。为量测筒体内力,沿筒体环向共布置7个纵向量测断面,各断面间隔30°圆心角,其断面编号由筒前至筒后依次为1~7;每个断面均布置8个测点,其编号由上至下依次为1~8。沿筒高共布置8个环向断面,各断面间距为12.5cm,其断面编号与纵断面的测点编号相同,由上至下依次为1~8;每个断面均设置7个测点,其测点编号与纵断面编号相同,由筒前至筒后依次为1~7。因此,筒体共布置56个测点,各测点粘贴一对由纵、横二片组成的直角式应变片,纵片可测定筒体纵向断面各测点的弯矩,横片可测定筒体环向断面各测点的弯矩,见图1a、b。由布设在筒体上的112个应变片可得到筒体纵向和环向弯矩的大小及变化趋势。试验时,圆筒埋深h分30、40、50和60cm4种,首先筒内填满砂,然后筒后填砂至筒顶,最后在筒后砂面上施加qo=6kN/m2的均布超载,见图1c。整个试验分3种工况:圆筒埋入地基中,筒内填满砂为工况Ⅰ;筒后填砂至筒顶为工况Ⅱ;筒后加超载qo为工况Ⅲ。3筒体应变测量在外荷载作用下,圆筒结构处于二向应力状态,由虎克定律可得其纵向应力σZ和环向应力σH分别为σZ=E1−μ2(εZ+μεH)(1)σΖ=E1-μ2(εΖ+μεΗ)(1)σH=E1−μ2(εH+μεZ)(2)σΗ=E1-μ2(εΗ+μεΖ)(2)式中:εZ、εH分别为筒体的纵向应变和横向应变,由试验直接测得。因此筒体的纵向弯矩MZ和环向弯矩MH分别为MZ=σZW(3)MH=σHW(4)式中:W为抗弯截面系数,W=bh2/6,h为壁厚;b为断面单宽,取b=10cm。筒体内力试验共进行了4种埋深和3种工况的内力测试,计12组,每组均进行8~10次试验。依据每组试验数据进行内力均值计算,由均值内力绘制了纵向弯矩和环向弯矩图。纵向弯矩图共计7个断面,其中1、7断面位于筒前、后横轴线上,4断面位于纵轴线上,各断面有8个测点值。环向弯矩图共有8个断面,1断面位于筒顶,8断面位于筒底,其它断面由上至下顺序排列,各断面有7个测点值,其中1、7测点分别位于筒前、后横轴线上。各种埋深内力图变化趋势较归一。由于篇幅所限,本文只给出埋深30cm工况Ⅲ时的纵向弯矩图(见图2)。3.1筒体受内部填料压力作用的特性对4种埋深3种不同荷载作用的筒体各断面最大环向正、负弯矩值进行整理,得到表1。表中M(1)~M(8)为8个环向断面的最大正、负弯矩值,测点表示该最大值所在的测点位置。由表中数据看出,在工况Ⅰ时,筒体各断面最大正、负弯矩值均较小;在工况Ⅱ时,筒体各断面最大正、负弯矩值较工况Ⅰ均有较大幅度提高;在工况Ⅲ时,筒后砂面上施加了qo=6kN/m2的超载,此时筒体受到的水平荷载最大,筒体各断面最大正、负弯矩值也最大。由此可见,筒体最大环向正、负弯矩随筒体水平荷载作用的增大而增加,但增大的幅度随埋深的加大而减小。圆筒结构在水平荷载作用下将产生凸弯和凹弯变形,且荷载作用越大凸弯和凹弯变形也越大,因此筒体环向正、负弯矩随水平荷载的加大而增加是合乎常理的。由表1数据看出,无论何种埋深,在筒体只受内填料压力作用时,沉入面以上各环形断面由于受地基土嵌固约束作用较弱,其正、负环向弯矩相差不多,但沉入面以下各环形断面由于受地基土嵌固约束作用较强,其正、负环向弯矩明显增大,尤其靠近筒底的6、7、8三个断面的弯矩值达到最大。在工况Ⅱ、Ⅲ时,筒体受筒后填土作用或受筒后填土和超载共同作用,其环向正、负弯矩值均随环向断面的下移而增大,至筒底的6、7、8断面时达最大值。因此筒底断面的环向弯矩是筒体的控制弯矩。3.2正、负弯矩随荷载的变化筒体纵向弯矩共量测了7个断面,各断面的最大正、负弯矩值列于表2。表中数据表明,在不同荷载作用下,各断面最大正、负弯矩的变化规律是不同的。筒前的1、2断面和筒后的5、6、7断面,其负弯矩随水平荷载的加大而增加,但正弯矩却随荷载的增大而减小,且1、2断面减幅较小而5、6、7断面减幅较大;位于纵轴线上的4断面和邻近的3断面,其正、负弯矩的变化规律却与上述断面相反,正弯矩随水平荷载的加大而增加,负弯矩随荷载的增大而减小,以至4断面上有时无负弯矩。例如4断面在工况Ⅲ时全为正弯矩。在各种荷载作用下,纵向负弯矩的最大值一般位于筒前横轴线上的1断面和邻近的2断面,其测点为4点和7、8点。例如埋深40cm时三种荷载作用下,最大值位于1、2断面,其值为-1054.5、-2111.7、-3787.3N·cm,测点为7、8两点;埋深60cm时最大值位于1断面,测点为4点。纵向正弯矩最大值位置与荷载作用状况有关,在工况Ⅰ时最大值位于筒后横轴线上的7断面,测点为1点;在工况Ⅱ、Ⅲ时最大值位于纵轴线上的4断面,测点多为7点和1点。综上所述,纵向弯矩最大值一般位于圆筒纵、横轴线处的断面上,因此纵横轴线处的纵向弯矩是筒体控制弯矩。本次筒体内力试验得到的环向正、负弯矩极值发生在埋深30cm工况Ⅲ时,其值为10090.5和-6086.6N·cm,得到的纵向弯矩正、负极值出现在埋深30和40cm工况Ⅲ时,其值为3788.1和-3787.3N·cm。显然圆筒结构在外荷载作用下,其环向弯矩要比纵向弯矩大很多。4埋深对桶体的形成的影响4.1埋深不同时的最大弯矩通过对表1数据分析发现,埋深对筒体环向弯矩的影响有一定的规律性,但荷载状况不同,其规律性也存在差异。现分述如下:1)在工况Ⅰ时,8个断面的最大正弯矩均随埋深的加大而增大,最大负弯矩除1、2两断面随埋深变化不大外,其它断面也随埋深的加大而增加。例如3断面埋深60cm时的正、负弯矩为1413.9和-1191.9N·cm,而埋深30cm时其值为430.4和-430.8N·cm,前者是后者的3.29和2.77倍。2)在工况Ⅱ、Ⅲ时,由于荷载作用性质相同,其变化规律相似。①靠近筒顶的1、2断面,其最大正弯矩随埋深加大而增加,最大负弯矩却随埋深加大而减小,但埋深60cm时其值又略有增加。②沉入面附近的3、4断面,其最大正弯矩随埋深变化不大,其最大负弯矩随埋深加大而减小,如工况Ⅲ埋深30cm时负弯矩为-4771.4N·cm,而埋深60cm时为-2439.4N·cm,减小了49%。③沉入面以下的5、6、7、8断面其最大正、负弯矩均随埋深的加大而减小。沉入面以下的断面处于地基土嵌固约束作用范围内,埋深越大,断面受嵌固约束作用也越大,其弯曲变形也越小,因此其正、负弯矩值也将减小。应该指出,在工况Ⅱ、Ⅲ时最大环向正弯矩的测点除个别断面外,均为位于纵轴线上的4点,而最大负弯矩的测点多为接近横轴线的1、6、7三点,这是合理的。因为在筒前、后土压力和超载土压力作用下,圆筒前后将受到挤压,使得纵轴线上的4点凸弯变形最大,因此其正弯矩也将最大;而接近横轴线的1、6、7三点凹弯变形最大,因此其负弯矩也最大。4.2埋深时正弯矩随埋深的变化不同埋深在同一工况下的筒体最大正、负弯矩对比值见表2。由表中数据可以得到三点结论。1)在工况Ⅰ时,各断面的最大正弯矩均随埋深的加大而增大;而最大负弯矩有时随埋深增大,有时则随埋深减小。2)在工况Ⅱ、Ⅲ时,正弯矩的变化规律相同。其规律如下。①4断面最大正弯矩基本不随埋深变化。如工况Ⅱ、Ⅲ时各种埋深的弯矩为2220.0~2