基于ANSYS二次开发的渠道混凝土施工期仿真分析

刘智玮 郭淑慧 王明华

(1.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810000； 2.华北水利水电大学，河南 郑州 450046)

渠道衬砌是典型的薄壁结构[1]，渠道混凝土浇筑到软土地基之后，地基约束较小，但因外界环境的变化和水化作用，衬砌混凝土受热不均，形成温差，导致温度裂缝，裂缝产生及发展直接影响到渠道的正常运行功能，不能发挥出渠道工程原有的意义。渠道混凝土开裂机理的研究有助于进行渠道设计及防裂措施设计，王东升、马斌、张国斌[2-4]对渠道混凝土早期开裂成因及预防措施进行了分析，王正中[5]采用结构力学的方法揭示了渠道衬砌底板开裂机理，有关渠道混凝土在施工过程仿真模拟极少见报道，本文基于ANSYS对施工期混凝土浇筑进行仿真分析，对模拟过程中变化掺量的实现进行二次开发，获取温度场和应力场，分析开裂机理，为工程设计提供理论依据。

1 计算原理

渠道混凝土浇筑过程仿真研究是对早龄期混凝土温度、应力场的求解问题，在ANSYS中可用热应力分析来实现。渠道混凝土浇筑之后，水化放热，通过化学和物理作用凝结硬化，特性发生变化，其温度场随时间变化，为瞬态温度场，应力场相应也变化，计算原理如下[6]。

1.1 非稳态温度场

非稳态温度场T(x,y,z,τ)在计算域上应满足：

(1)

初始条件即t=0时的温度场：

T∣τ=0=T0(x,y,z)

(2)

满足的边界条件表示如下：

T=Tb

(3)

(4)

(5)

1.2 温度应力

假设混凝土衬砌为弹性体，各点的温度变化为ΔT，在无约束条件下温度变形为混凝土线膨胀系数与温度变化的乘积即αΔT。空间一点的温度变形为：

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

(6)

2 基于ANSYS的混凝土掺量实现过程

2.1 混凝土绝热温升

在结构温度场的仿真计算过程中，绝热温升是一个十分重要的热力学参数。目前采用的混凝土绝热温升模型主要有指数型、双曲线型、复合指数型等[7]，本文混凝土绝热温升模型如下：

(7)

用ANSYS模拟混凝土的水化热过程，通过生热率来实现。由于此生热率是随时间变化的，属于复杂的荷载条件，在此用命令流进行加载，嵌入DO循环语句中随温度边界条件共同施加在模型上,命令流为：

/SOL

do,tm,1,2188, time,tm

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

Enddo

2.2 混凝土弹性模量

混凝土在开裂之前，可将其视为各向同性线弹性材料，弹性模量是一个重要参数，反映其应力与应变之间的关系，早期数值随水化反应的进行而逐渐增大，有指数型、复合指数型及双曲线型等，本文采用双曲线型。

(8)

在ANSYS中，通过施加材料特性来实现，命令流为：

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 数值模拟结果

本文选取南水北调工程某渠道为研究对象，断面为梯形断面，坡比1∶1.8，渠段采用混凝土衬砌，渠坡衬砌厚取10 cm，渠底衬砌厚度取8 cm，采用C20混凝土，有限元模型见图1。

3.1 温度场

依据实测温度资料，渠道混凝土采取夏季浇筑，浇筑温度25.8 ℃，地基绝热，衬砌表面为第三类边界条件。

气温根据实际气象资料拟合而成：

(9)

土体的下边界温度变化缓慢，其边界条件采用温度年变化温度线，浇筑第一步的温度场分布见图2。

3.2 应力场

利用ANSYS热力学分析进行温度场与应力场的耦合，采用顺

序耦合的方法。根据温度应力的求解可以得到应力云图，图3为最后计算步的应力云图。

从图3中可以看出，底板混凝土大部分受压，在靠近坡脚填缝处出现拉应力，这是由于混凝土衬砌板随外界温度变化形成内外温度差时，内外变形程度不同，受地基的约束，当混凝土衬砌受热发生膨胀时，土体会限制渠底板的膨胀变形，表现为渠底板承受压应力。渠坡中部靠上出现最大的主应力，最大主应力大约为0.68 MPa，即渠坡处容易出现温度裂缝。

4 结语

本文采用数值模拟的方法，基于商业软件ANSYS，对混凝土可变特性及浇筑过程的变量实现二次开发，实现了渠道混凝土衬砌的温度、应力求解。结果表明：渠道底板大部分受压，而渠道中部靠上部分，由于温差较大，变形不一致，将受到最大的主应力，最容易出现温度裂缝。