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有限元分析技术在碎石桩设计领域的应用

     

随着我国基础设施建设的快速发展,在工程中不可避免的遇到土地松软工况,必须对其进行软基处理,使其沉降足够坚固,提高稳定性,防止工程建成后地基下沉造成不稳定事故。碎石桩成本较低,操作灵活,结构可靠,是软基处理的有效手段之一。

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图1 碎石桩

传统碎石桩在作业前,振动器的导杆在起吊时与地面不垂直,施工前需要有扶正过程,由于设备重量大,高度高,吊具是软起吊,更加大了操作难度。另外,原有设备在落料时仓体及阀体上沾有残料,对设备寿命有较大影响,易堵塞物料并磨损零部件。受国家工程技术相关院所委托,由北钢联负责改进现有碎石桩的设计,研制新型底部出料振冲碎石桩,从结构优化、工艺升级、强度校核等方面入手,解决设备使用难题。

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图2 模型轴测图

 

(1)加装配重保证受力平衡

通过北钢联工程技术人员在现场的实地查验,导杆与作业面不垂直的原因是由于原有设备设计时重心与起吊点位置连线与设备导杆的轴线不平行,导致设备起吊后导杆的轴线与水平面不垂直。

解决这一问题的首要,便是解决设备重心偏载问题,具体调整方案是:在料仓后增加配重导轨,导轨选用方管型材,在内部灌铅,达到起吊点的连线与导杆中心线重合的目的。在实际制造前,先利用大型有限元分析软件进行了三维实体的计算,根据计算结果合理添加,使设备起吊后无需调整直接作业。

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图3 碎石桩配重优化

(2)阀体优化改善密封可靠性

为了减少过渡仓和气密仓在落料的过程中及阀关闭时对阀体密封胶垫的损坏,对阀的整体结构进行改善。原有阀的损坏多是由于阀在关闭时,阀体盖体上有残料,残料造成关闭时对密封损坏;另一方面,阀体本身密封位置不合理也是导致密封损坏的原因。设计组提出继续使用原有阀结构,确保整体结构不受影响,将阀体钟罩结构的坡度加大,尽量减少阀盖体上残料的积存。同时,将原有阀体的密封位置进行改变,将钟罩阀体密封由盖体转移到座体上。

 

(3)全面受力分析确保人机安全

尽管碎石桩在工程方面有较大的应用,但在设备使用及设计方面还存在一些问题,目前产品的设计依据主要源于工程技术人员的施工经验,大部分分析计算研究主要针对地基、土壤、岩石等展开,对设备本体受力机制的研究极少。必须应用科学的手段对产品进行改进及完善,有助于了解设备承载力的提高机理,维护设备、人员安全。

选用有限元计算软件MIDAS,在基于Q235B材质的基础下,对碎石桩的:恒荷载、活荷载、节点载荷、应力、位移、共振计算等方面进行探索,通过多方对计算结果的审查,对模型的正确性给以肯定,设计结构完全符合实际生产需要。

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图4 气压活载荷分布图及整体应力示意图

 

我国软弱地基类型繁多,碎石桩是打造复合地基解决软基问题的主要设备,对于桩基础的设计,利用有限元分析计算的办法,符合工程实际情形,对人员安全、设备运行具有积极意义。因此,在研究新型碎石桩时采用正确的设计手段并验证其科学性是非常必要的。

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