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        基于有限元分析的高地下水位砼襯砌渠道凍脹損壞斷裂研究

        2017-02-23 06:31:36鄒志華
        西部論叢 2017年10期

        鄒志華

        摘 要:在地下水水位比較高的地方,容易發(fā)生渠道凍脹的現(xiàn)象,因此在建造實(shí)施水利工程項(xiàng)目時(shí),首先要克服渠道凍脹損壞的難點(diǎn)。在借鑒已有理論如凍土凍土力學(xué)、三場(chǎng)耦合、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、滲流等理論之后,本研究分析了渠道基土凍脹以及襯砌結(jié)構(gòu),并構(gòu)建了渠道砼襯砌凍脹損壞力學(xué)模型以及凍土的彈性本構(gòu)模型,利用模型模擬來凍脹過程中三場(chǎng)耦合的數(shù)據(jù),最后得到新型的防凍脹結(jié)構(gòu)來預(yù)防渠道的凍害發(fā)生。

        關(guān)鍵詞:砼襯砌渠道 高地下水位 凍脹損壞斷裂 數(shù)據(jù)模擬

        1、構(gòu)建力學(xué)模型

        跟普通梯形渠道比較,弧底梯形混凝土襯砌渠道的結(jié)構(gòu)具有整體性強(qiáng)的特點(diǎn),渠道襯砌板因凍脹出現(xiàn)損壞的可能性隨著渠底的法向凍脹力減小而減??;渠道混凝土襯砌底板及邊坡板和梯形渠道襯砌體發(fā)生損壞的特點(diǎn)相似,在受到重力、凍結(jié)力、凍脹力、底板與坡板約束力等復(fù)雜的相互作用肌理下,就會(huì)發(fā)生損壞。對(duì)渠道底板來說,凍脹力會(huì)使底板上抬,在坡板的約束下,由于發(fā)生凍脹變形會(huì)出現(xiàn)中間大兩邊小的特點(diǎn),因此會(huì)在中間出現(xiàn)彎曲甚至折斷的現(xiàn)象。

        2、模擬有限元的數(shù)據(jù)

        考慮到原型渠道的現(xiàn)實(shí)條件,本研究以凍深作為邊界選取有限元模型。具體數(shù)據(jù)為:陽坡邊界的法向凍深為十厘米,渠頂距襯砌板的寬度設(shè)為十厘米,另外,陰坡邊界的法向凍深為八十厘米,渠頂距襯砌板的寬度設(shè)為八十厘米。在渠底到襯砌的距離從法向八十厘米,到渠底法向六十厘米,最后減少到四十七厘米。模擬有限元的數(shù)據(jù)時(shí)把襯砌板和凍土看做一個(gè)整體,并利用映射網(wǎng)格劃分的方法來形成圖元,最后劃分模型的有限元單元,劃分的結(jié)果如下,節(jié)點(diǎn)共836個(gè)。

        3、分析數(shù)據(jù)和結(jié)果

        當(dāng)渠基土發(fā)生凍脹時(shí),會(huì)收到土質(zhì)、襯砌體剛度、溫度、水分狀況等各項(xiàng)因子的干擾,因此進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬時(shí)往往不夠精準(zhǔn),所以模擬之前應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化各項(xiàng)因素,采取合適的假設(shè),以便更快地找到渠道發(fā)生凍脹受力、變形的規(guī)律性。

        3.1計(jì)算流程

        3.1.1熱分析邊界條件并計(jì)算溫度場(chǎng)

        在熱分析單元類型中選擇較為合適的,選擇原型渠道各個(gè)區(qū)域每個(gè)月平均表面溫度里面12月份的溫度,做為熱邊界條件的上邊界條件,在兩側(cè)渠頂以及混凝土襯砌體的表面施加該溫度;將下邊界的凍結(jié)溫度取值零度,范圍就是凍深[11-13]。

        3.1.2計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)

        計(jì)算完熱分析后,將單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)靜力分析,設(shè)定位移邊界條件:在凍土兩邊的豎直段受到Y(jié)向的水平約束(uY=0),在凍土的下邊界,除了兩邊的斜坡段受到Y(jié)向和Z向的雙約束(uY=0,uZ=0)外,其它的均受到Z向的垂直約束(uZ=0);此外,上邊界發(fā)生的自由凍脹則沒有收到任何約束。在采用ADINA軟件來分析位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí),加在模型上的荷載采用的是熱分析的數(shù)據(jù)。

        3.2分析得出的計(jì)算結(jié)果

        3.2.1位移場(chǎng)

        從下圖可知,凍脹力的影響使得弧底梯形渠道變位最大的情況發(fā)生在陰坡,陽坡第二,變位最小的是渠底,模擬的結(jié)果和實(shí)際工程的情況相吻合。而坡腳處突變的情況不作用在渠底,使得基土凍脹受到襯砌板約束的情況好轉(zhuǎn),凍脹變形發(fā)生的方向以及大小夜呈現(xiàn)出連續(xù)的狀態(tài),凍脹量的分布相對(duì)均勻。根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果,得到沿襯砌板長(zhǎng)方向上的的凍脹量情況如下圖。從圖中可以看出,陽坡的最大凍脹量是3.6cm,陰坡的最大凍脹量是4.1cm,渠底的最大凍脹量是2.7cm,和實(shí)際工程的情況相一致,誤差不超過百分之五,數(shù)據(jù)具有精確性。

        3.2.2溫度場(chǎng)

        下圖為模擬后得出的溫度等值線,從圖中可知,渠道會(huì)受到東西走向的干擾,導(dǎo)致陽坡和陰坡的溫度存在較大的差別,陽坡的溫度梯度比陰坡的要小,而各坡的溫度分布規(guī)律相一致,凍深的分布狀況也具有相似性。

        4、結(jié)論

        在有限元理論的基礎(chǔ)上,將實(shí)際渠道作為研究對(duì)象構(gòu)建起簡(jiǎn)化的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)耦合模型,模擬這三者對(duì)渠道凍脹影響的程度數(shù)據(jù),該模型可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映出混凝土襯砌渠道凍脹在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)中變化的情況,該模型可應(yīng)用到各種實(shí)際工程中,方法簡(jiǎn)捷、操作簡(jiǎn)單,在渠道的抗凍脹工程設(shè)計(jì)里也可以廣泛應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn)

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