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多耦合力作用下塑料检查井井座结构优化设计

2024-12-12 59 上传者：管理员

摘要：研究了大型塑料检查井流槽式汇合三通井座在回填土下曳力、垂直土压力、井座侧向土压力等永久载荷和车辆荷载多耦合力作用下的应力应变，仿真结果显示在多耦合力作用下，井座支管处应力应变较大，存在失效的风险。为了提高大型塑料检查井流槽式汇合三通井座的刚强度，提出了环向加强筋、纵向加强筋和网格加强筋三种加强筋方案，并对比分析了在不同加强筋配置时井座的刚强度情况，结果表明：网格加强筋和环向加强筋对井座的刚强度提高效果明显，为流槽式汇合三通井座的结构优化设计提供了参考。

关键词：
井座
加强筋
多耦合力
大型塑料检查井
应力应变
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大型塑料检查井是一种用于地下管道系统检修和维护的设备，具有较大的尺寸和容量，通常用于污水、雨水、给水、电力和通信等各种管道系统，是市政管网和小区排水管网系统[1]中常见的管道设备，同时大型塑料检查井在海绵城市建设中具有多种作用，可以与其他海绵城市设施相结合，共同构建可持续、适应性强的城市水资源管理系统[2]。井座是塑料检查井的核心部件，在检查井底部与排水管道相连接，地面交变载荷、冲击载荷等均会导致井座发生变形或断裂，影响其使用寿命，因此其结构和强度直接决定了塑料检查井的运行情况[3]。优化井座结构能够增加其在复杂载荷下的强度，满足多耦合力下的使用要求。为了提高地下管道系统的管理效率和可靠性，研究人员在塑料检查井的技术开发和应用研究方面进行了诸多工作。Tetuo等[4]对塑料检查井井筒变形进行了研究分析；况爱玲等[5]为提高塑料检查井的耐腐蚀性、耐压性和耐磨损性进行了材料研究；为了提高塑料检查井在复杂环境下的刚强度，师彩云等[6]和郭龙等[7]均对其进行了结构改进设计。本文对流槽式汇合三通井座在永久载荷和交通动载荷多耦合力作用下的刚强度进行分析，提出了三种加强筋方案，经过仿真对比研究，找到了最优加强筋方案，为后续结构优化设计提供了参考依据。

1、建立塑料检查井井座模型

根据市政某排水井要求所选用的流槽式汇合三通井座尺寸(如表1所示),使用Pro/E软件对其进行三维模型创建，井座立体模型如图1所示。

2、建立力学分析模型

检查井结构受到的载荷分为永久载荷和可变载荷，永久载荷包括轴向回填土下曳力、垂直土压力和侧向土壤挤压力等，可变载荷包括路面受到的交变载荷和冲击载荷等。本文依据某工业园区塑料检查井使用工况建立了力学分析模型，其中井座填埋选用湿陷性黄土，井座填埋深度为6 m, 路段无地下水。

表1选用的流槽式汇合三通井座尺寸参数

图1井座立体模型

2.1 塑料检查井井座轴向回填土下曳力的计算

由于检查井的井座、井筒是埋在地下的塑料管道，当其安装完成之后回填土填埋过程中井座、井筒在土层中就会受到回填土下曳力影响，造成轴向剪切作用和下曳力作用，形成轴向受压。轴向剪切力计算公式为：

其中：μ为回填土与井筒外壁之间的摩擦因数，μ=0.16;Pr1为作用于井筒上部回填土的水平土压力，Pr1=1.21kρsH1,k为主动土压力系数，k=0.7,ρs为土壤重力密度，kN/m3,H1为地面至防护盖座基础底部的高度，一般取70 mm;Pr2为作用于井筒底部回填土的水平土压力，Pr2=1.21kρsH2,H2为地面至井筒底部的高度，m。

回填土下曳力计算公式为：

Pd1=Ta·π·de·Hr. (2)

其中：Pd1为作用于井筒壁的下曳力，N;de为井筒外径，m;Hr为井筒与回填土接触的高度，m。

设下曳力大小、方向不变由井筒传递至井座，则井座受到垂直方向下曳力Pd=Pd1。

2.2 井座与井筒承口扩径部分垂直土压力计算

设Ps(kN)为作用于井座承口部分的垂直土压力，其值由下式计算：

Ps=ρsπ/[4(D2-d

其中：D为井座连接井筒的承口外径，m。

2.3 塑料检查井井座侧向土压力的计算

设pR(Pa)为侧向土压力，其值由下式计算：

pR=1.21kρsH. (4)

其中：H为检查井埋地深度，m。

2.4 交通动载荷计算

检查井受到在道路上行驶的汽车荷载的作用时，由于汽车自身的振动和行驶路面的不平整，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动着，作用在检查井上的轮载时大时小呈波动的形式。假设每隔10 s有一辆A级标准重车以40 km/h的速度经过检查井上方，此时附加动载荷q(t)=0.2psin2(19.4t)(p为恒载，取0.7 MPa,t为时间，取载荷的作用时间为0 s～10 s)。车辆动载荷对井座的作用为：

F(t)=p+q(t)=0.7+0.14sin2(19.4t) . (5)

3、交通载荷下井座有限元分析

3.1 材料参数设置

井座采用高分子树脂PE材料，一次注塑成型，其材料属性为：弹性模量1 070 MPa, 泊松比0.41,密度938 kg/m3,张力强度22.1 MPa。

3.2 网格划分

借助ANSYS软件，采用自动网格划分和局部优化的方法建立井座的有限元模型，如图2所示。

图2井座有限元模型

3.3 施加载荷

检查井井座受到多重载荷情况，施加轴向力为238 800 N,施加侧向土压力为15 300 Pa, 动载荷F(t)=0.7+0.14sin2(19.4t)

轴向力和交通动载荷均布施加于井座与井筒连接断面处，侧向土压力均布施加于井座的外圆面。施加载荷后，无加强筋的检查井井座有限元分析结果如图3和图4所示。从仿真结果可以看出：在多重载荷作用下，井座支管处应力应变较大，存在失效的风险。

图3无加强筋井座应力云图

图4无加强筋井座应变云图

3.4 加强筋方案

塑料件中的加强筋可以提高零件强度，在产品中还能为其他零件提供导向、定位和支撑等功能。为了提高井座支管处的强度，根据加强筋设计要求，本文提出了环向加强筋、纵向加强筋和网格加强筋三种加强筋方案，其加强筋均布置于主管外侧，其中环向加强筋是沿着井座高度均匀分布10条，纵向加强筋沿井座圆周均匀分布10条，网格加强筋则结合了环向加强筋和纵向加强筋的分布规则。使用ANSYS进行了各方案的有限元分析，获得各方案应力和应变云图如图5所示。

由图5可以看出：设置加强筋后能够改善支管处的应力应变，但其效果各不相同，为了便于对比分析，现将各加强筋方案计算结果汇总，如表2所示。

3.5 结果分析和讨论

通过对表2的数据进行分析，可知在多重载荷作用下网格加强筋和环向加强筋能够大大降低流槽式汇合三通井座的应力、应变，而纵向加强筋对减少应力、应变的作用较小，其具体影响如表3所示。

从表3分析结果中可得出：

(1) 三种加强筋方案对流槽式汇合三通井座应力的影响程度为：网格加强筋(73.1%)>环向加强筋(51.5%)>纵向加强筋(9.1%)。

(2) 三种加强筋方案对流槽式汇合三通井座应变的影响程度为：网格加强筋(72.8%)>环向加强筋(47.8%)>纵向加强筋(8.6%)。

(3) 由以上分析可知，在进行流槽式汇合三通井座结构设计时，设置网格加强筋能够大大增强井座的强度、刚度，在受力较小的情况下环向加强筋也能在一定程度上增强井座的刚强度，而纵向加强筋对刚强度的提高作用有限。

图5各加强筋方案井座应力和应变云图

表2各加强筋方案下最大应力、应变值

表3各加强筋方案对应力、应变的影响

4、结论

本文运用有限元分析软件，研究了塑料检查井井座在永久载荷和交通动载荷多耦合力作用下三种加强筋方案中流槽式汇合三通井座的应力、应变，通过对比分析，研究结果表明：