【摘 要】本文在現(xiàn)有理論研究成果的基礎(chǔ)上，詳細歸納了冰溫度膨脹力對大型預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)有限元分析過程中的影響因素，包括計算范圍的選取、預(yù)應(yīng)力的施加、盆式支座的模擬以及冰的本構(gòu)模型理論。

【關(guān)鍵詞】膨脹；渡槽；模型；建立

0引言

南水北調(diào)工程中一些地區(qū)分布在華北境內(nèi)，在冬季，這些地區(qū)會發(fā)生冰凍現(xiàn)象。冰層凍結(jié)在渡槽結(jié)構(gòu)中，后者為前者的邊界，并對其形成約束。當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，冰層內(nèi)部的溫度場發(fā)生變化，從而引起冰的應(yīng)變。由于受到水工建筑物不同程度的約束，冰層內(nèi)部就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，并對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度膨脹力。冰層膨脹力是指冰蓋在溫升影響下膨脹時，受到建筑物的約束而對其產(chǎn)生的作用力。冰溫度膨脹力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)推力，在某些情形下結(jié)構(gòu)將會被推動，從而出現(xiàn)裂縫，如果沒有采取充分合理的措施，冰層的溫度膨脹力就有可能對水工結(jié)構(gòu)物的安全構(gòu)成嚴重威脅。因此必須對冰層的溫度膨脹力給予足夠的重視。

1 計算范圍的選取

對于跨度不大，跨數(shù)較少的小型渡槽在計算機容量和處理速度允許的情況下，宜整體建模。而對于大型渡槽結(jié)構(gòu)，應(yīng)在分析各跨受力條件，合理模擬臨跨荷載以及質(zhì)量、剛度影響的情況下取單跨或多跨進行分析。在取單跨或多跨代替整體結(jié)構(gòu)進行分析前應(yīng)綜合分析渡槽結(jié)構(gòu)各單跨跨度、墩柱高度以及地基情況的差異，來判斷選取模型的合理性。

2 預(yù)應(yīng)力的施加

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由兩種物理化學(xué)性質(zhì)差異較大的材料即混凝土和鋼筋組合而成，其力學(xué)性能復(fù)雜，在較小的荷載下就能表現(xiàn)出明顯的非線性，而其材料非線性、幾何非線性和邊界非線性經(jīng)常同時存在，用傳統(tǒng)的解析方法來分析與描述非常困難。

有限元法分析的基本前提是要建立鋼筋和混凝土的本構(gòu)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上必須合理選擇單元模型用于模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土，這兩種材料的破壞準則和收斂準則的合理選擇直接影響著計算結(jié)果的正確性和可靠性。目前利用大型有限元軟件能較準確、方便的進行預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析，模擬的方法主要有三種：整體式、分離式和組合式。

整體式模型假定混凝土和鋼筋粘結(jié)很好，將彌散分布于整個單元中，并把單元視為連續(xù)均質(zhì)材料，一次求得綜合的單元剛度矩陣。其優(yōu)點是建模方便，分析效率高，但缺點是不適用于鋼筋分布較不均勻的區(qū)域，且無法直接得到鋼筋的內(nèi)力。

分離式模型把混凝土和鋼筋作為不同的單元來處理，即混凝土和鋼筋各自被劃分成足夠小的單元，兩者的剛度矩陣是分開來求解的。其優(yōu)點是與實際情況比較接近，結(jié)果精確，數(shù)據(jù)較真實，但缺點是建模復(fù)雜，求解難完成。

組合式顧名思義則是將整體式和分離式組合起來，具備了分離式和整體式建模的優(yōu)點。

2.1 預(yù)應(yīng)力筋的有限元仿真模擬

在ANSYS中，預(yù)應(yīng)力混凝土分析(有粘結(jié))可采用等效荷載法和實體力筋法。所謂等效荷載法，就是將力筋的作用以荷載的形式作用于混凝土結(jié)構(gòu)；所謂實體力筋法就是用solid單元模擬混凝土，用link單元模擬力筋。

（1）等效荷載法的優(yōu)缺點

優(yōu)點是建模簡單，不必考慮力筋的具體位置而可直接建模，網(wǎng)格劃分簡單，對結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下的整體效應(yīng)比較容易求得。

其主要缺點是：

等效荷載法沒有考慮力筋對混凝土的作用分布和方向，力筋對混凝土作用顯然在各處是不同的，等效荷載法則無法考慮，水平均布分量沒有考慮。等效荷載法最大的一個缺點是較粗糙，得到的結(jié)果與實際情況誤差較大，所以采用該方法需要謹慎。

（2）實體力筋法的優(yōu)缺點

將混凝土和力筋劃分為不同的單元，預(yù)應(yīng)力的模擬可以采用降溫方法和初應(yīng)變方法。降溫方法比較簡單，同時可以模擬力筋的損失；初應(yīng)變方法通常不能考慮預(yù)應(yīng)力損失，否則每個單元的實常數(shù)各不相等，工作量較大。建模過程中共有兩種處理方法，一是體分割法，二是采用獨立建模耦合法。

①體分割法

用工作平面和力筋線拖拉形成的一個面，將體積分割(divide)，分割后體上的一條線定義為力筋線。這樣不斷分割下去，最終形成許多復(fù)雜的體和多條力筋線，然后分別進行單元劃分，施加預(yù)應(yīng)力、荷載、邊界條件后求解。這種方法是基于幾何模型的處理，即幾何模型為一體，力筋位置準確，求解結(jié)果精確，但當(dāng)力筋線形復(fù)雜時，建模特別麻煩。

②獨立建模耦合法

該法的基本思想是實體和力筋獨立建幾何模型，分別劃分單元，然后采用耦合方程將力筋單元和實體單元聯(lián)系起來。這種方法是基于有限元模型的處理。

這種方法建模比較簡單，耦合處理也比較簡單，缺點是當(dāng)實體單元劃分不夠緊密時，力筋節(jié)點位置可能有些走動，但誤差在可接受范圍之內(nèi)。這種方法是解決力筋線形復(fù)雜且力筋數(shù)量很多時的較佳方法。

2.2 盆式支座的模擬

3結(jié)論

本文歸納了冰溫度膨脹力對大型預(yù)應(yīng)力渡槽結(jié)構(gòu)有限元分析過程中的影響因素，包括計算范圍的選取、預(yù)應(yīng)力的施加、盆式支座的模擬以及冰的本構(gòu)模型理論，對建立模型的前期工作金星鄉(xiāng)一定研究調(diào)查，為模型建立符合事實進行指導(dǎo)作用。

作者簡介：

馬彪，男，1983年3月，助工，從事水利水電施工及結(jié)構(gòu)仿真優(yōu)化