新型預(yù)制U型渠結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

孫景路，李欣欣，王正君*，張濱，常俊德

(1.黑龍江省水利科學研究院 黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點實驗室，哈爾濱 150080； 2.黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

新型預(yù)制U型渠結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析

孫景路1，李欣欣2，王正君2*，張濱1，?？〉?

(1.黑龍江省水利科學研究院 黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點實驗室，哈爾濱 150080； 2.黑龍江大學 水利電力學院，哈爾濱 150080)

本文以水利部“948”計劃項目為背景，在滿足抗凍性能不低于F300，并在給定的混凝土強度等級、受力鋼筋強度等級不變的前提下，借助大型有限元分析軟件ABAQUS對矩型渠Z500、Z1000進行優(yōu)化設(shè)計及數(shù)值模擬分析，結(jié)合模擬計算結(jié)果分析了結(jié)構(gòu)在給定工況下的受力狀態(tài)，數(shù)值模擬的計算結(jié)果表明：在承載力、結(jié)構(gòu)的正常使用及破壞狀態(tài)、配筋配置以及經(jīng)濟等方面優(yōu)化結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)勢。同時也證明了本工程優(yōu)化后的方案具有應(yīng)用的價值。

預(yù)制混凝土矩型渠；數(shù)值模擬；渠道防滲；有限元模型

0 引言

渠道防滲是諸多農(nóng)田灌溉節(jié)水措施中經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的主要節(jié)水措施之一，也是目前我國應(yīng)用最廣泛的節(jié)水工程技術(shù)措施[1]，U型渠槽是混凝土渠道防滲中的一種防滲層結(jié)構(gòu)形式，一般采用混凝土現(xiàn)澆或預(yù)制而成[2]。混凝土U型槽預(yù)制件是90年代開發(fā)出來的一種供農(nóng)業(yè)輸水溝道建設(shè)需要的特殊產(chǎn)品[3]。預(yù)制U型槽新的施工工藝使組件配套安裝更加方便，質(zhì)量也更容易控制，具有較高的性價比[4]。

U型渠道不僅接近最優(yōu)輸水斷面，還具有省水、省地、省料和省土等特點，因此在水利工程中被廣泛的采用，這種結(jié)構(gòu)形式也常被應(yīng)用在中小型閘、壩、涵洞、渡槽和跌水等水工建筑物中[5-6]。目前，中國有許多建于早期的小型農(nóng)田水利工程受當時的經(jīng)濟和技術(shù)條件所限，大部分渠道均為土渠，長達半個世紀的運行且年久失修，淤塞、倒塌、滲漏嚴重，渠系水利用系數(shù)僅為0.3～0.5[7]。在有些抗凍要求較高的寒區(qū)，有的U型槽相關(guān)指標很難到達使用要求[8]。但有些渠系經(jīng)過結(jié)構(gòu)改造以后，既提高了灌區(qū)水利用系數(shù)，也推動了灌區(qū)水利事業(yè)的發(fā)展[9]。因此，應(yīng)用和推廣U型混凝土預(yù)制槽防滲襯砌技術(shù)十分適宜且很有必要[10]。

本文已對渠系結(jié)構(gòu)原設(shè)計(填方土渠道方案)進行了進一步優(yōu)化。本文借助大型有限元分析軟件ABAQUS對矩型渠Z500、Z1000進行數(shù)值模擬分析與比較，以驗證結(jié)構(gòu)的可靠性和優(yōu)化方案的可行性。

1 結(jié)構(gòu)的基本情況

1.1 材料

本文擬推薦采用水利部“948”項目《先進渠系建筑物制造關(guān)鍵技術(shù)引進》新產(chǎn)品——裝配式混凝土組裝式矩形槽替代原規(guī)劃設(shè)計填方渠道設(shè)計方案。

該產(chǎn)品采用德國引進的海斯混凝土成型先進技術(shù)設(shè)備制造，綜合造價等同國內(nèi)現(xiàn)有混凝土U型槽，具有相對于填方渠道占地少、土地利用系數(shù)高、易于安裝、省時省工，有效提高灌溉水利用系數(shù)，增加灌溉面積和耕地面積等優(yōu)點，是國內(nèi)傳統(tǒng)混凝土U型槽、梯形槽升級換代產(chǎn)品。

采用C50的混凝土，抗凍性能不低于F300[11-13]；采用HPB235的鋼筋，地基土選用黏土。參照《SL 191-2008水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》得到相關(guān)參數(shù)密度為2 000 kg/m3，彈性模量為20MPa，泊松比0.3，摩擦角32°，膨脹角20.5°，粘聚力71 600 Pa。

型號規(guī)格斷面尺寸abcdefgrlZ500500×500500460500608080620802000Z10001000×1000100092010008012012011601002000

1.2 工況及建筑等級

本次研究發(fā)現(xiàn)，相比對照組，研究組治療有效率對比無顯著差異，P＞0.05，且研究組患者生活質(zhì)量指標改善情況更為明顯，P＜0.05。分析原因：在MRI影像輔助下實施夾脊穴深刺主要具有以下優(yōu)勢：首先，可在MR成像輔助下，對病灶位置及腰椎情況進行有效觀測，并可實現(xiàn)對夾脊穴的準確定位，確保治療準確性；其次，通過MRI成像技術(shù)，可對治療中針刺深度實現(xiàn)準確把握，在適宜穴位深度實施治療，確保治療有效性[4-5]。

工況1：不考慮凍脹力，渠內(nèi)滿水；工況2：考慮凍脹力，地基土的凍深為2 m；工況3：考慮冰壓力，冰厚0.3 m；工況4：考慮渠外側(cè)填土壓力，渠內(nèi)滿水。水工建筑物等級為4級。

2 矩型渠的數(shù)值模擬分析

ABAQUS 是一套工程模擬的有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。本文將借助大型有限元分析軟件ABAQUS，對Z500、Z1000進行數(shù)值模擬分析，以期得到結(jié)構(gòu)在給定工況下的受力狀態(tài)，驗證結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.1 構(gòu)建模型

鋼筋采用的是理想的彈塑性模型?；炷恋哪Ｐ褪歉鶕?jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010-2010)》得到混凝土單軸受拉、單軸受壓的本構(gòu)關(guān)系，經(jīng)過計算擬合得到C50混凝土受拉、受壓的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型。地基土則選用Mohr-Coulomb模型。

2.2 建立有限元模型

以Z500矩型渠為例。

(1)幾何模型

結(jié)構(gòu)的部分取2 m長的Z500矩型渠為計算單元。

(2)有限元模型

土體、矩型渠均采用實體單元，網(wǎng)格劃分采用8節(jié)點減縮積分單元C3D8R。網(wǎng)格劃分時對渠底圓弧拐角處進行了細化，最終矩型渠結(jié)構(gòu)部分共有4 500個單元；土體部分共有10 000個單元，有限元模型如圖3所示。

(3)荷載及約束條件

矩型渠所受荷載包括自重載荷、渠內(nèi)水壓力渠兩側(cè)土的凍脹力。土體所受荷載包括自重載荷、頂部所受土壓力。因為當結(jié)構(gòu)方案滿足工況1的設(shè)計要求時，工況3和工況4自然滿足，故本文的數(shù)值分析只考慮工況1和工況2。模型外部約束均為面的法向位移約束。

(4)接觸設(shè)置

矩型渠底面與地基土采用面對面接觸，定義接觸時主面為混凝土，從面為土體。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2002)》，庫倫摩擦系數(shù)為0.3～0.35，本文取0.3。

2.3 計算結(jié)果

本文給出結(jié)構(gòu)在工況1和工況2情況下的分析計算結(jié)果。以UJ500矩型渠為例，結(jié)果匯總見表2。矩形渠在工況1條件下的第一主應(yīng)力和鋼筋軸向應(yīng)力模擬如圖5和圖6所示。

表2 混凝土最大應(yīng)力

注：C50混凝土的抗拉、抗壓強度設(shè)計值分別為ft=1.89 MPa、fc=23.1 MPa。

矩形渠在工況2條件下的第一主應(yīng)力和鋼筋軸向應(yīng)力模擬如圖7和圖8所示。

圖2 矩型渠的幾何模型Fig.2 Geometric model

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

圖4 原方案和優(yōu)化方案的鋼筋接觸圖Fig.4 Steel contact diagram of the original program and the optimized scheme

圖5 素混凝土、原方案與優(yōu)化方案的第一主應(yīng)力Fig.5 The first principal stress of plain concrete，original scheme and optimization scheme

圖6 原方案與優(yōu)化方案的鋼筋軸向應(yīng)力Fig.6 Axial stress of reinforcement of original scheme and optimization scheme

圖7 素混凝土、原方案與優(yōu)化方案的第一主應(yīng)力Fig.7 The first principal stress of plain concrete，original scheme and optimization scheme

圖8 原方案與優(yōu)化方案的鋼筋軸向應(yīng)力Fig.8 Axial stress of reinforcement of original scheme and optimization scheme

3 結(jié)論

在給定的三種工況下：

(1)承載能力方面，兩種型號矩型渠的承載能力滿足各自的承載力使用功能要求。

(2)正常使用狀態(tài)方面，兩種型號矩型渠在工況1、工況3情況下結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)裂縫。在工況2情況下，對應(yīng)于兩種型號的矩型渠，混凝土最大壓應(yīng)力都遠小于相應(yīng)強度設(shè)計值。只有Z1000的混凝土最大拉應(yīng)力接近于其抗拉強度設(shè)計值，且最大拉應(yīng)力主要分布在矩型渠底部的下表面區(qū)域附近，此處矩形渠底會出現(xiàn)裂縫，但沒有向底板厚度方向伸展，能滿足矩型渠正常使用要求。

(3)鋼筋配置方面，三種工況下，原方案及優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)中鋼筋的應(yīng)力都遠小于其強度設(shè)計值，表明鋼筋的強度沒能得到充分發(fā)揮且原方案的配筋遠遠不滿足現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的“適筋破壞”構(gòu)造要求。

(4)結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的延性得到明顯提高。由于不滿足設(shè)計規(guī)范的“適筋破壞”構(gòu)造要求，原方案的結(jié)構(gòu)具有明顯的脆性特征，一旦超載將發(fā)生不可修復(fù)的破壞。

(5)經(jīng)濟效益方面，從制造成本方面考慮，素混凝土及原方案結(jié)構(gòu)的制造成本要遠遠低于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。

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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”計劃項目(201316)

孫景路，碩士，高級工程師。研究方向：工程凍土和寒區(qū)水工技術(shù)研究。E-mail：sunjinglu74@163.com

王正君，博士，教授。研究方向：建筑材料及結(jié)構(gòu)檢測。E-mail：wzjsir@163.com

孫景路，李欣欣，王正君，等.新型預(yù)制U型渠結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬分析[J].森林工程，2017，33(5)：113-116.