新型预制U型渠结构的数值模拟分析

孙景路，李欣欣，王正君*，张滨，常俊德

(1.黑龙江省水利科学研究院 黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，哈尔滨 150080； 2.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

新型预制U型渠结构的数值模拟分析

孙景路1，李欣欣2，王正君2*，张滨1，常俊德1

(1.黑龙江省水利科学研究院 黑龙江省季节冻土区工程冻土重点实验室，哈尔滨 150080； 2.黑龙江大学 水利电力学院，哈尔滨 150080)

本文以水利部“948”计划项目为背景，在满足抗冻性能不低于F300，并在给定的混凝土强度等级、受力钢筋强度等级不变的前提下，借助大型有限元分析软件ABAQUS对矩型渠Z500、Z1000进行优化设计及数值模拟分析，结合模拟计算结果分析了结构在给定工况下的受力状态，数值模拟的计算结果表明：在承载力、结构的正常使用及破坏状态、配筋配置以及经济等方面优化结构所具有的优势。同时也证明了本工程优化后的方案具有应用的价值。

预制混凝土矩型渠；数值模拟；渠道防渗；有限元模型

0 引言

渠道防渗是诸多农田灌溉节水措施中经济合理、技术可行的主要节水措施之一，也是目前我国应用最广泛的节水工程技术措施[1]，U型渠槽是混凝土渠道防渗中的一种防渗层结构形式，一般采用混凝土现浇或预制而成[2]。混凝土U型槽预制件是90年代开发出来的一种供农业输水沟道建设需要的特殊产品[3]。预制U型槽新的施工工艺使组件配套安装更加方便，质量也更容易控制，具有较高的性价比[4]。

U型渠道不仅接近最优输水断面，还具有省水、省地、省料和省土等特点，因此在水利工程中被广泛的采用，这种结构形式也常被应用在中小型闸、坝、涵洞、渡槽和跌水等水工建筑物中[5-6]。目前，中国有许多建于早期的小型农田水利工程受当时的经济和技术条件所限，大部分渠道均为土渠，长达半个世纪的运行且年久失修，淤塞、倒塌、渗漏严重，渠系水利用系数仅为0.3～0.5[7]。在有些抗冻要求较高的寒区，有的U型槽相关指标很难到达使用要求[8]。但有些渠系经过结构改造以后，既提高了灌区水利用系数，也推动了灌区水利事业的发展[9]。因此，应用和推广U型混凝土预制槽防渗衬砌技术十分适宜且很有必要[10]。

本文已对渠系结构原设计(填方土渠道方案)进行了进一步优化。本文借助大型有限元分析软件ABAQUS对矩型渠Z500、Z1000进行数值模拟分析与比较，以验证结构的可靠性和优化方案的可行性。

1 结构的基本情况

1.1 材料

本文拟推荐采用水利部“948”项目《先进渠系建筑物制造关键技术引进》新产品——装配式混凝土组装式矩形槽替代原规划设计填方渠道设计方案。

该产品采用德国引进的海斯混凝土成型先进技术设备制造，综合造价等同国内现有混凝土U型槽，具有相对于填方渠道占地少、土地利用系数高、易于安装、省时省工，有效提高灌溉水利用系数，增加灌溉面积和耕地面积等优点，是国内传统混凝土U型槽、梯形槽升级换代产品。

采用C50的混凝土，抗冻性能不低于F300[11-13]；采用HPB235的钢筋，地基土选用黏土。参照《SL 191-2008水工混凝土结构设计规范》得到相关参数密度为2 000 kg/m3，弹性模量为20MPa，泊松比0.3，摩擦角32°，膨胀角20.5°，粘聚力71 600 Pa。

型号规格断面尺寸abcdefgrlZ500500×500500460500608080620802000Z10001000×1000100092010008012012011601002000

1.2 工况及建筑等级

本次研究发现，相比对照组，研究组治疗有效率对比无显著差异，P＞0.05，且研究组患者生活质量指标改善情况更为明显，P＜0.05。分析原因：在MRI影像辅助下实施夹脊穴深刺主要具有以下优势：首先，可在MR成像辅助下，对病灶位置及腰椎情况进行有效观测，并可实现对夹脊穴的准确定位，确保治疗准确性；其次，通过MRI成像技术，可对治疗中针刺深度实现准确把握，在适宜穴位深度实施治疗，确保治疗有效性[4-5]。

工况1：不考虑冻胀力，渠内满水；工况2：考虑冻胀力，地基土的冻深为2 m；工况3：考虑冰压力，冰厚0.3 m；工况4：考虑渠外侧填土压力，渠内满水。水工建筑物等级为4级。

2 矩型渠的数值模拟分析

ABAQUS 是一套工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。本文将借助大型有限元分析软件ABAQUS，对Z500、Z1000进行数值模拟分析，以期得到结构在给定工况下的受力状态，验证结构的可靠性。

2.1 构建模型

钢筋采用的是理想的弹塑性模型。混凝土的模型是根据《混凝土结构设计规范(GB 50010-2010)》得到混凝土单轴受拉、单轴受压的本构关系，经过计算拟合得到C50混凝土受拉、受压的应力-应变本构关系模型。地基土则选用Mohr-Coulomb模型。

2.2 建立有限元模型

以Z500矩型渠为例。

(1)几何模型

结构的部分取2 m长的Z500矩型渠为计算单元。

(2)有限元模型

土体、矩型渠均采用实体单元，网格划分采用8节点减缩积分单元C3D8R。网格划分时对渠底圆弧拐角处进行了细化，最终矩型渠结构部分共有4 500个单元；土体部分共有10 000个单元，有限元模型如图3所示。

(3)荷载及约束条件

矩型渠所受荷载包括自重载荷、渠内水压力渠两侧土的冻胀力。土体所受荷载包括自重载荷、顶部所受土压力。因为当结构方案满足工况1的设计要求时，工况3和工况4自然满足，故本文的数值分析只考虑工况1和工况2。模型外部约束均为面的法向位移约束。

(4)接触设置

矩型渠底面与地基土采用面对面接触，定义接触时主面为混凝土，从面为土体。根据《建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)》，库伦摩擦系数为0.3～0.35，本文取0.3。

2.3 计算结果

本文给出结构在工况1和工况2情况下的分析计算结果。以UJ500矩型渠为例，结果汇总见表2。矩形渠在工况1条件下的第一主应力和钢筋轴向应力模拟如图5和图6所示。

表2 混凝土最大应力

注：C50混凝土的抗拉、抗压强度设计值分别为ft=1.89 MPa、fc=23.1 MPa。

矩形渠在工况2条件下的第一主应力和钢筋轴向应力模拟如图7和图8所示。

图2 矩型渠的几何模型Fig.2 Geometric model

图3 矩型渠有限元模型Fig.3 Integral finite element model

图4 原方案和优化方案的钢筋接触图Fig.4 Steel contact diagram of the original program and the optimized scheme

图5 素混凝土、原方案与优化方案的第一主应力Fig.5 The first principal stress of plain concrete，original scheme and optimization scheme

图6 原方案与优化方案的钢筋轴向应力Fig.6 Axial stress of reinforcement of original scheme and optimization scheme

图7 素混凝土、原方案与优化方案的第一主应力Fig.7 The first principal stress of plain concrete，original scheme and optimization scheme

图8 原方案与优化方案的钢筋轴向应力Fig.8 Axial stress of reinforcement of original scheme and optimization scheme

3 结论

在给定的三种工况下：

(1)承载能力方面，两种型号矩型渠的承载能力满足各自的承载力使用功能要求。

(2)正常使用状态方面，两种型号矩型渠在工况1、工况3情况下结构不会出现裂缝。在工况2情况下，对应于两种型号的矩型渠，混凝土最大压应力都远小于相应强度设计值。只有Z1000的混凝土最大拉应力接近于其抗拉强度设计值，且最大拉应力主要分布在矩型渠底部的下表面区域附近，此处矩形渠底会出现裂缝，但没有向底板厚度方向伸展，能满足矩型渠正常使用要求。

(3)钢筋配置方面，三种工况下，原方案及优化方案结构中钢筋的应力都远小于其强度设计值，表明钢筋的强度没能得到充分发挥且原方案的配筋远远不满足现行设计规范的“适筋破坏”构造要求。

(4)结构的破坏状态，优化后结构的延性得到明显提高。由于不满足设计规范的“适筋破坏”构造要求，原方案的结构具有明显的脆性特征，一旦超载将发生不可修复的破坏。

(5)经济效益方面，从制造成本方面考虑，素混凝土及原方案结构的制造成本要远远低于优化后的结构。

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[13] 中华人民共和国水利部，SL/T50363—2006节水灌溉技术规范[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

NumericalSimulationAnalysisofNewPrecastUChannel

Sun Jinglu1，Li Xinxin2，Wang Zhengjun2*，Zhang Bin1，Chuang Junde1

(1.Heilongjiang Water Conservancy Institute， Heilongjiang Seasonal Frozen Soil Region Engineering Frozen Soil Key Laboratory，Harbin 150080； 2.Institute of Hydraulic and Electric Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080

Based on the “948” project of the Ministry of Water Resources，when the frost resistance performance is not less than F300，and under the condition of unchanged strength grade of concrete and reinforced steel bar，the optimal design and numerical simulation of U channel Z500，Z1000 is carried out by finite element analysis software ABAQUS.The stress state of the structure under given conditions is analyzed combined with the simulation results.The numerical simulation results show that the optimization structure has advantages in the bearing capacity，the normal use of the structure and the destruction of the state，reinforced steel bar configuration and economy.At the same time，it proves that the optimization scheme of this project has the value of application.

Precast concrete U channel；numerical simulation；canal seepage control；finite element model

S 277； TV 91

：A

：1001-005X(2017)05-0113-04

2017-05-05

水利部“948”计划项目(201316)

孙景路，硕士，高级工程师。研究方向：工程冻土和寒区水工技术研究。E-mail：sunjinglu74@163.com

王正君，博士，教授。研究方向：建筑材料及结构检测。E-mail：wzjsir@163.com

孙景路，李欣欣，王正君，等.新型预制U型渠结构的数值模拟分析[J].森林工程，2017，33(5)：113-116.