冰膨胀作用下预应力渡槽模型建立探究

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1、冰膨胀作用下预应力渡槽模型建立探究【摘要】本文在现有理论研究成果的基础上，详细归纳了冰温度膨胀力对大型预应力渡槽结构有限元分析过程中的影响因素，包括计算范围的选取、预应力的施加、盆式支座的模拟以及冰的本构模型理论。【关键词】膨胀；渡槽；模型；建立0引言南水北调工程中一些地区分布在华北境内，在冬季，这些地区会发生冰冻现象。冰层冻结在渡槽结构中，后者为前者的边界，并对其形成约束。当外界环境温度发生变化时，冰层内部的温度场发生变化，从而引起冰的应变。由于受到水工建筑物不同程度的约束，冰层内部就会产生温度应力，并对结构产生温度膨胀力。冰层膨胀力是指冰盖在温升影响下

2、膨胀时，受到建筑物的约束而对其产生的作用力。冰温度膨胀力对结构产生侧推力，在某些情形下结构将会被推动，从而出现裂缝，如果没有采取充分合理的措施，冰层的温度膨胀力就有可能对水工结构物的安全构成严重威胁。因此必须对冰层的温度膨胀力给予足够的重视。1计算范围的选取对于跨度不大，跨数较少的小型渡槽在计算机容量和处理速度允许的情况下，宜整体建模。而对于大型渡槽结构，应在分析各跨受力条件，合理模拟临跨荷载以及质量、刚度影响的情况下取单跨或多跨进行分析。在取单跨或多跨代替整体结构进行分析前应综合分析渡槽结构各单跨跨度、墩柱高度以及地基情况的差异，来判断选取模型的合理性。

3、2预应力的施加预应力钢筋混凝土结构是由两种物理化学性质差异较大的材料即混凝土和钢筋组合而成，其力学性能复杂，在较小的荷载下就能表现出明显的非线性，而其材料非线性、几何非线性和边界非线性经常同时存在，用传统的解析方法来分析与描述非常困难。有限元法分析的基本前提是要建立钢筋和混凝土的本构关系，在此基础上必须合理选择单元模型用于模拟预应力钢筋和混凝土，这两种材料的破坏准则和收敛准则的合理选择直接影响着计算结果的正确性和可靠性。目前利用大型有限元软件能较准确、方便的进行预应力钢筋混凝土结构分析，模拟的方法主要有三种：整体式、分离式和组合式。整体式模型假定混凝土和钢

4、筋粘结很好，将弥散分布于整个单元中，并把单元视为连续均质材料，一次求得综合的单元刚度矩阵。其优点是建模方便，分析效率高，但缺点是不适用于钢筋分布较不均匀的区域，且无法直接得到钢筋的内力。分离式模型把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理，即混凝土和钢筋各自被划分成足够小的单元，两者的刚度矩阵是分开来求解的。其优点是与实际情况比较接近，结果精确,数据较真实，但缺点是建模复杂，求解难完成。组合式顾名思义则是将整体式和分离式组合起来，具备了分离式和整体式建模的优点。2.1预应力筋的有限元仿真模拟在ANSYS中，预应力混凝土分析(有粘结)可采用等效荷载法和实体力筋法。所

5、谓等效荷载法，就是将力筋的作用以荷载的形式作用于混凝土结构；所谓实体力筋法就是用solid单元模拟混凝土，用link单元模拟力筋。(1)等效荷载法的优缺点优点是建模简单，不必考虑力筋的具体位置而可直接建模，网格划分简单，对结构在预应力作用下的整体效应比较容易求得。其主要缺点是：等效荷载法没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向，力筋对混凝土作用显然在各处是不同的，等效荷载法则无法考虑，水平均布分量没有考虑。等效荷载法最大的一个缺点是较粗糙，得到的结果与实际情况误差较大，所以采用该方法需要谨慎。(2)实体力筋法的优缺点将混凝土和力筋划分为不同的单元，预应力的模拟

6、可以采用降温方法和初应变方法。降温方法比较简单，同时可以模拟力筋的损失；初应变方法通常不能考虑预应力损失，否则每个单元的实常数各不相等，工作量较大。建模过程中共有两种处理方法，一是体分割法，二是采用独立建模耦合法。%1体分割法用工作平面和力筋线拖拉形成的一个面，将体积分割(divide),分割后体上的一条线定义为力筋线。这样不断分割下去，最终形成许多复杂的体和多条力筋线，然后分别进行单元划分，施加预应力、荷载、边界条件后求解。这种方法是基于几何模型的处理，即几何模型为一体，力筋位置准确，求解结果精确，但当力筋线形复杂时，建模特别麻烦。%1独立建模耦合法该法

7、的基本思想是实体和力筋独立建几何模型，分别划分单元，然后采用耦合方程将力筋单元和实体单元联系起来。这种方法是基于有限元模型的处理。这种方法建模比较简单，耦合处理也比较简单，缺点是当实体单元划分不够紧密时，力筋节点位置可能有些走动，但误差在可接受范围之内。这种方法是解决力筋线形复杂且力筋数量很多时的较佳方法。2.2盆式支座的模拟3结论本文归纳了冰温度膨胀力对大型预应力渡槽结构有限元分析过程中的影响因素，包括计算范围的选取、预应力的施加、盆式支座的模拟以及冰的本构模型理论，对建立模型的前期工作金星乡一定研究调查，为模型建立符合事实进行指导作用。作者简介：马彪，

8、男，1983年3月，助工，从事水利水电施工及结构仿真优化