基于ANSYS的水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)有限元分析

李 波

(山西省晉中市水利建筑工程總公司，山西 晉中 030600)

高溫圍巖一直是隧洞工程經(jīng)常遇到的工程問題，進(jìn)行高溫隧洞研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于分析隧洞結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場分布，進(jìn)而對襯砌結(jié)構(gòu)不同結(jié)構(gòu)部位、不同圍巖溫度采用不同的方法進(jìn)行防護(hù)。相關(guān)專家學(xué)者對此進(jìn)行了研究：邵珠山等[1]對圓形截面高圍巖溫度隧洞襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并對其進(jìn)行理論分析；劉乃飛等[2]以某實際水工隧洞工程為研究對象，運(yùn)用理論分析的方法分析其襯砌結(jié)構(gòu)的溫度場及應(yīng)力場；郭進(jìn)偉等[3]通過構(gòu)建有限元模型，分析某水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)在高溫圍巖作用下的溫度應(yīng)力場。許富貴等[4]使用FLAC3D構(gòu)建埋深大、圍巖溫度高的水工隧洞，并對其進(jìn)行穩(wěn)定性分析；穆震[5]對高溫隧洞襯砌結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行研究，分析了其材料選用、結(jié)構(gòu)計算參數(shù)選取等實際工程問題；何廷樹等[6]研究了高溫隧洞襯砌結(jié)構(gòu)施工過程中，在其材料中添加礦物混合料對其結(jié)構(gòu)性能的影響；朱宇等[7]使用有限元模型模擬的方法，分析了不同圍巖溫度條件下襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征；吳鑫健[8]通過試驗研究，分析了不同溫度條件下的高溫圍巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場。

在以上學(xué)者的研究基礎(chǔ)上，本研究通過對某水電站泄洪洞工程建立ANSYS有限元數(shù)值模型，分析在不同圍巖溫度下水工隧洞不同部位應(yīng)力的歷時變化情況。

1 模型建立

ANSYS是水利工程中運(yùn)用較為廣泛的有限元計算軟件，利用ANSYS的熱-固耦合模型模擬水工隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場，對其應(yīng)力分布進(jìn)行計算，使用的計算方法為序貫耦合法。

本研究以某水電站泄洪洞為研究對象，泄洪洞的頂部為拱形，兩側(cè)為直墻型。根據(jù)工程實際情況建立如圖1所示的隧洞分析模型，隧洞的模型尺寸為上部拱頂、兩側(cè)直墻的厚度均為1.05m，底部底板的厚度為0.5m。如圖中坐標(biāo)所示的模型方位，沿X方向為隧洞的寬度方向；沿Y方向為隧洞內(nèi)水流的方向，水流方向即為Y軸正軸方向；沿Z方向為隧洞內(nèi)高度的方向，向上為正，有限元計算范圍為：沿著X方向兩側(cè)延伸2倍洞寬，沿著Z方向兩側(cè)延伸2倍洞高。有限元模擬采用ANSYS軟件SOLID70八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行模型的構(gòu)建，模型中共有9213個節(jié)點(diǎn)，73.9個單元結(jié)構(gòu)，模擬的對象為該區(qū)域不同圍巖條件下襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化。

圖1 隧洞有限元計算模型

襯砌混凝土結(jié)構(gòu)及圍巖的計算參數(shù)見表1。

表1 襯砌結(jié)構(gòu)混凝土及圍巖的計算參數(shù)

2 襯砌結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力分析

2.1 約束條件設(shè)置

在應(yīng)力場計算過程中，設(shè)置隧洞襯砌未進(jìn)行施工時的溫度場初始條件，模型結(jié)構(gòu)的約束見表2。

表2 模型結(jié)構(gòu)的約束

2.2 應(yīng)力分布分析

在模擬襯砌混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布隨溫度變化的分析過程中，選取了A、B、C三個計算應(yīng)力計算點(diǎn)作為研究對象，A、B、C分別為拱頂結(jié)構(gòu)、豎直邊墻結(jié)構(gòu)、底板結(jié)構(gòu)的中心位置，分析其在不同工況下溫度應(yīng)力變化情況[9- 10]，如圖2所示。

圖2 溫度應(yīng)力計算點(diǎn)的選取

2.2.1拱頂結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

拱頂A點(diǎn)在圍巖溫度分別為20、40、60、80℃工況下的應(yīng)力隨時間變化情況如圖3所示。

分析圖3中不同圍巖溫度工況條件下應(yīng)力隨時間變化情況，可以發(fā)現(xiàn)在四種工況條件下，每種工況三個方向上的應(yīng)力均遵循相同的規(guī)律：襯砌單元混凝土首先出現(xiàn)壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力逐漸降低，接著混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力逐漸增大且增大較為緩慢，隨后壓應(yīng)力增加速率出現(xiàn)驟增，最后壓應(yīng)力增加速率降低且壓力值趨于定值。

圖3 拱頂A點(diǎn)應(yīng)力隨時間變化圖

對比分析不同模擬工況條件下的模擬結(jié)果可以得出：

(1)圍巖溫度為20℃的常溫條件下，拱頂A點(diǎn)X方向圍巖溫度引起的襯砌混凝土應(yīng)力最大，Y方向圍巖溫度引起的應(yīng)力次之，Z方向圍巖溫度引起的應(yīng)力最小。在輸水過程中，雖然洞頂未與輸送的水直接接觸，但洞內(nèi)原有的較高溫度在較低溫度的水影響下出現(xiàn)降低，因而導(dǎo)致拱頂襯砌混凝土溫度降低，進(jìn)而引起拱頂應(yīng)力增大。

(2)圍巖溫度為40℃的環(huán)境條件下，拱頂A點(diǎn)X方向圍巖溫度引起的襯砌混凝土應(yīng)力最大，Y方向圍巖溫度引起的應(yīng)力與Z方向圍巖溫度引起的應(yīng)力差值減小。

(3)圍巖溫度為60℃的環(huán)境條件下，拱頂A點(diǎn)X方向圍巖溫度引起的襯砌混凝土應(yīng)力仍是最大的，輸水后期，三個方向的應(yīng)力均出現(xiàn)較大幅度增大，Y方向圍巖溫度引起的襯砌混凝土應(yīng)力大于Z方向，但在輸水后期，Y方向與Z方向的應(yīng)力值基本相同。

(4)圍巖溫度為80℃的環(huán)境條件下，在輸水前期，X、Y、Z方向圍巖溫度引起的襯砌混凝土應(yīng)力變化趨勢與前面三種情況基本相同，但在輸水后期出現(xiàn)較大的差別，X方向圍巖溫度引起的應(yīng)力增長幅度出現(xiàn)驟升，Z方向的應(yīng)力大于Y方向。

分析整個變化趨勢，襯砌混凝土應(yīng)力受圍巖與水流溫度差值的影響，差值越大，應(yīng)力越大，且增長幅度越快。

2.2.2邊墻應(yīng)力分析

邊墻B點(diǎn)在圍巖溫度分別為20、40、60、80℃工況下的應(yīng)力隨時間變化情況如圖4所示。

分析圖4中不同圍巖溫度工況條件下B點(diǎn)應(yīng)力隨時間變化情況，可以發(fā)現(xiàn)四種工況條件下，每種工況Y、Z方向上的應(yīng)力均遵循相同的規(guī)律：襯砌單元混凝土首先出現(xiàn)壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力逐漸降低，接著混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力逐漸增大且增大較為緩慢，隨后拉應(yīng)力增加速率出現(xiàn)驟增，拉應(yīng)力在700～750d出現(xiàn)直線式增長，最后拉應(yīng)力增加速率降低且壓力值趨于定值。X方向上的應(yīng)力始終為拉應(yīng)力且應(yīng)力值較小，在700d左右拉應(yīng)力出現(xiàn)增大隨后很快恢復(fù)。

對比分析不同模擬工況條件下的模擬結(jié)果可以得出：

(1)各工況條件下，X方向的應(yīng)力值為壓應(yīng)力且其值較小，Y與Z方向最早期為壓應(yīng)力，后來逐漸變化為拉應(yīng)力。

(2)輸水前期X方向的壓應(yīng)力始終保持在0.03MPa左右，輸水后期壓應(yīng)力逐漸增大，且圍巖溫度越高，增加速率越快，后又逐漸減小并維持在0.05MPa左右。

(3)Y與Z方向應(yīng)力的變化趨勢基本相同，且兩方向的應(yīng)力差值隨著圍巖溫度的升高逐漸減小。

(4)Y與Z方向最早產(chǎn)生壓應(yīng)力，且圍巖溫度越高，早期的壓應(yīng)力值越大，隨后Y與Z方向的應(yīng)力變化為拉應(yīng)力，在700d之前增長幅度較小，在700d之后的輸水后期出現(xiàn)直線式增長，且圍巖溫度越高，增速越大；隨后保持穩(wěn)定，且圍巖溫度越高，穩(wěn)定的值越大。

圖4 拱頂B點(diǎn)應(yīng)力隨時間變化圖

2.2.3底板應(yīng)力分析

底板C點(diǎn)在圍巖溫度分別為20、40、60、80℃工況下的應(yīng)力隨時間變化情況如圖5所示。

分析圖5中不同圍巖溫度工況條件下C點(diǎn)應(yīng)力隨時間變化情況，可以發(fā)現(xiàn)四種工況條件下，每種工況X、Y方向上的應(yīng)力基本遵循相同的規(guī)律：襯砌單元混凝土初始應(yīng)力為拉應(yīng)力(20℃時初始應(yīng)力為壓應(yīng)力)，接著拉應(yīng)力逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，進(jìn)一步壓應(yīng)力又逐漸減小轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，隨后拉應(yīng)力逐漸增大，拉應(yīng)力在700～750d出現(xiàn)直線增長，最后拉應(yīng)力增速變緩且趨于穩(wěn)定。

對比分析不同模擬工況條件下的模擬結(jié)果可以得出：

(1)底板C點(diǎn)X、Y方向圍巖溫度引起的襯砌混凝土初始應(yīng)力在20℃時為壓應(yīng)力，其余工況條件下為拉應(yīng)力，初始拉應(yīng)力值隨著圍巖溫度的升高逐漸增大，在輸水前期，應(yīng)力基本為拉應(yīng)力，且逐漸增大，在700d左右拉應(yīng)力出現(xiàn)驟增，隨后增速減緩并保持穩(wěn)定。

(2)Z方向的應(yīng)力值在所有的工況條件下，始終保持在0MPa附近，在輸水后期出現(xiàn)壓應(yīng)力并逐漸增大，且圍巖溫度越高，增加速率越快，隨后壓應(yīng)力逐漸降低并重新保持在0MPa附近。

對比A、B、C三點(diǎn)的總應(yīng)力值，底板的應(yīng)力值最大，這主要是因為在底板進(jìn)行澆筑施工作業(yè)時，拱頂結(jié)構(gòu)、豎直邊墻結(jié)構(gòu)的施工已完成，底板應(yīng)力受到其余兩個結(jié)構(gòu)影響，且水流作用力主要作用在底板上。

圖5 底板C點(diǎn)應(yīng)力隨時間變化圖

3 結(jié)論

通過ANSYS構(gòu)建某水電站泄洪洞工程有限元數(shù)值模型，對隧洞拱頂、邊墻、底板在不同圍巖溫度作用下的應(yīng)力情況進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)力受圍巖溫度的影響較大，主要影響規(guī)律為：溫度越高，襯砌結(jié)構(gòu)的初始壓應(yīng)力越大，輸水前期襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力也越大，輸水中后期拉應(yīng)力增加速率越大，且最終穩(wěn)定時，拉應(yīng)力保持穩(wěn)定的值越大。

(2)相同條件下，拱頂、邊墻、底板三者的應(yīng)力由大到小分別為底板、邊墻、拱頂。

(3)受圍巖溫度影響，在第700天左右時，邊墻、底板的應(yīng)力值均出現(xiàn)較快速率的增長。