基于ANSYS二次開發(fā)的渠道混凝土施工期仿真分析

劉智瑋 郭淑慧 王明華

(1.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810000； 2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046)

渠道襯砌是典型的薄壁結(jié)構(gòu)[1]，渠道混凝土澆筑到軟土地基之后，地基約束較小，但因外界環(huán)境的變化和水化作用，襯砌混凝土受熱不均，形成溫差，導(dǎo)致溫度裂縫，裂縫產(chǎn)生及發(fā)展直接影響到渠道的正常運(yùn)行功能，不能發(fā)揮出渠道工程原有的意義。渠道混凝土開裂機(jī)理的研究有助于進(jìn)行渠道設(shè)計(jì)及防裂措施設(shè)計(jì)，王東升、馬斌、張國斌[2-4]對(duì)渠道混凝土早期開裂成因及預(yù)防措施進(jìn)行了分析，王正中[5]采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法揭示了渠道襯砌底板開裂機(jī)理，有關(guān)渠道混凝土在施工過程仿真模擬極少見報(bào)道，本文基于ANSYS對(duì)施工期混凝土澆筑進(jìn)行仿真分析，對(duì)模擬過程中變化摻量的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行二次開發(fā)，獲取溫度場和應(yīng)力場，分析開裂機(jī)理，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 計(jì)算原理

渠道混凝土澆筑過程仿真研究是對(duì)早齡期混凝土溫度、應(yīng)力場的求解問題，在ANSYS中可用熱應(yīng)力分析來實(shí)現(xiàn)。渠道混凝土澆筑之后，水化放熱，通過化學(xué)和物理作用凝結(jié)硬化，特性發(fā)生變化，其溫度場隨時(shí)間變化，為瞬態(tài)溫度場，應(yīng)力場相應(yīng)也變化，計(jì)算原理如下[6]。

1.1 非穩(wěn)態(tài)溫度場

非穩(wěn)態(tài)溫度場T(x,y,z,τ)在計(jì)算域上應(yīng)滿足：

(1)

初始條件即t=0時(shí)的溫度場：

T∣τ=0=T0(x,y,z)

(2)

滿足的邊界條件表示如下：

T=Tb

(3)

(4)

(5)

1.2 溫度應(yīng)力

假設(shè)混凝土襯砌為彈性體，各點(diǎn)的溫度變化為ΔT，在無約束條件下溫度變形為混凝土線膨脹系數(shù)與溫度變化的乘積即αΔT。空間一點(diǎn)的溫度變形為：

{ε}={εxεyεzγxyγyzγzx}T=αΔT{1 1 1 0 0 0}T

(6)

2 基于ANSYS的混凝土摻量實(shí)現(xiàn)過程

2.1 混凝土絕熱溫升

在結(jié)構(gòu)溫度場的仿真計(jì)算過程中，絕熱溫升是一個(gè)十分重要的熱力學(xué)參數(shù)。目前采用的混凝土絕熱溫升模型主要有指數(shù)型、雙曲線型、復(fù)合指數(shù)型等[7]，本文混凝土絕熱溫升模型如下：

(7)

用ANSYS模擬混凝土的水化熱過程，通過生熱率來實(shí)現(xiàn)。由于此生熱率是隨時(shí)間變化的，屬于復(fù)雜的荷載條件，在此用命令流進(jìn)行加載，嵌入DO循環(huán)語句中隨溫度邊界條件共同施加在模型上,命令流為：

/SOL

do,tm,1,2188, time,tm

BFV,P51X,HGEN,20exp(-0.25((tm/24)1.98))

Enddo

2.2 混凝土彈性模量

混凝土在開裂之前，可將其視為各向同性線彈性材料，彈性模量是一個(gè)重要參數(shù)，反映其應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，早期數(shù)值隨水化反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸增大，有指數(shù)型、復(fù)合指數(shù)型及雙曲線型等，本文采用雙曲線型。

(8)

在ANSYS中，通過施加材料特性來實(shí)現(xiàn)，命令流為：

do,tm,1,2188,time,tm

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDE,EX,1

MPDE,PRXY,1

MPDATA,EX,1,,((25.5tm)/(4.93+tm))1000000000

Enddo

3 數(shù)值模擬結(jié)果

本文選取南水北調(diào)工程某渠道為研究對(duì)象，斷面為梯形斷面，坡比1∶1.8，渠段采用混凝土襯砌，渠坡襯砌厚取10 cm，渠底襯砌厚度取8 cm，采用C20混凝土，有限元模型見圖1。

3.1 溫度場

依據(jù)實(shí)測溫度資料，渠道混凝土采取夏季澆筑，澆筑溫度25.8 ℃，地基絕熱，襯砌表面為第三類邊界條件。

氣溫根據(jù)實(shí)際氣象資料擬合而成：

(9)

土體的下邊界溫度變化緩慢，其邊界條件采用溫度年變化溫度線，澆筑第一步的溫度場分布見圖2。

3.2 應(yīng)力場

利用ANSYS熱力學(xué)分析進(jìn)行溫度場與應(yīng)力場的耦合，采用順

序耦合的方法。根據(jù)溫度應(yīng)力的求解可以得到應(yīng)力云圖，圖3為最后計(jì)算步的應(yīng)力云圖。

從圖3中可以看出，底板混凝土大部分受壓，在靠近坡腳填縫處出現(xiàn)拉應(yīng)力，這是由于混凝土襯砌板隨外界溫度變化形成內(nèi)外溫度差時(shí)，內(nèi)外變形程度不同，受地基的約束，當(dāng)混凝土襯砌受熱發(fā)生膨脹時(shí)，土體會(huì)限制渠底板的膨脹變形，表現(xiàn)為渠底板承受壓應(yīng)力。渠坡中部靠上出現(xiàn)最大的主應(yīng)力，最大主應(yīng)力大約為0.68 MPa，即渠坡處容易出現(xiàn)溫度裂縫。

4 結(jié)語

本文采用數(shù)值模擬的方法，基于商業(yè)軟件ANSYS，對(duì)混凝土可變特性及澆筑過程的變量實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了渠道混凝土襯砌的溫度、應(yīng)力求解。結(jié)果表明：渠道底板大部分受壓，而渠道中部靠上部分，由于溫差較大，變形不一致，將受到最大的主應(yīng)力，最容易出現(xiàn)溫度裂縫。