应用ANSYS软件二次开发进行坞式船闸施工期温度及温度应力仿真分析

应用ANSYS软件二次开发进行坞式船闸施工期温度及温度应
力仿真分析
代礼红;卢文蕾;解学超;方朝阳
【摘要】针对船闸水工结构中大体积混凝土施工期温度及温度应力问题,通过对有限元软件ANSYS进行二次开发,利用VB语言设计出方便的图形化参数输入界面,结合软件自带的APDL语言,自动完成分析全过程,使得复杂的全过程仿真分析趋于简洁化、高效化、实用化、能更好地应用于工程实践,解决实际工程问题.对一典型坞式闸宣的温度及温度应力进行了计算分析,为工程技术人员提供参考.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2012(000)001
【总页数】5页(P138-142)
【关键词】船闸;温度应力;数值计算;二次开发;ANSYS
【作者】代礼红;卢文蕾;解学超;方朝阳
【作者单位】四川省交通运输厅交通勘察设计研究院,四川成都610017;四川省交通运输厅交通勘察设计研究院,四川成都610017;四川省交通运输厅交通勘察设计研究院,四川成都610017;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072
【正文语种】中文
【中图分类】TU377
在船闸水工结构中，坞式闸首、闸室结构尺寸大，一般来讲算是大体积混凝土。

由于大体积混凝土在施工期水泥水化热作用，温度应力影响显著，容易产生温度裂缝，影响结构安全。

近年来，在大体积混凝土的温度应力和温度控制方面，混凝土坝的设计和施工较为受重视，作了不少研究，取得了丰硕的成果。

对于船闸水工结构来讲，几何尺寸远比坝体小，其控制裂缝的方法不像坝体混凝土那样，要采用特制的低热水泥和复杂的冷却系统，而主要是依靠合理配筋、改进设计、采用合理的浇筑方案和浇筑后加强养护等措施，以提高结构的抗裂性和避免引起过大的内外温差而出现裂缝。

在设计和施工中要做到有的放矢，必须了解结构本身在各种因素的影响下，其温度及温度应力的分布和发展规律。

确定大体积混凝土的温度场实际上是求解一定边界条件的热传导问题，而多层浇筑的大体积混凝土施工期温度应力因为边界条件太复杂就很难用弹性理论求得理论解，目前多层浇筑的大体积混凝土温度场可以用差分法求解。

因此，在有限单元法理论基础上利用电子计算机进行数值模拟，就成了大体积混凝土的温度应力仿真分析的有效手段。

从理论上讲，有限元法可以做到大体积混凝土从施工到运行的整个过程的温度与温度应力的全仿真，可以在任何气温、水温等边界条件下，采用各种温控措施，计算出任何时段，任何部位的温度和温度徐变应力。

使这种多因素、多时段、大模型的仿真分析成为可能。

本文即在功能强大的通用有限元软件ANSYS的基础上进行二次开发，利用VB语言设计出方便的图形化参数输入界面，结合软件自带的APDL语言，自动完成分
析全过程，使得这种复杂的全过程仿真分析趋于简洁化、高效化、实用化，能更好地应用于工程实践，解决实际工程问题。

文中也对一典型坞式闸室的温度及温度应力进行计算分析，为工程技术人员提供参考。

1 计算原理[1-2]
1.1 温度场的有限元计算
在混凝土区域R内的温度场T(x,y,z,τ)必须满足热传导方程：
同时，温度场T(x,y,z,τ)还必须满足初始条件和边界条件。

式中：α为导温系数；θ为绝热温升；β为表面放热系数；Ta为外界气温；λ为导热系数。

对方程(1)在三维空间域R内应用加权余量法得：
式中：Wi为权函数。

采用伽辽金方法在空间域取权函数等于形函数Ni；经过推导，最后得到求解温度场的方程如下：
式中：
1.2 温度应力的有限元计算
1）弹性体内各点的变温为T，其产生的自由变形为αT，α为热膨胀系数，在各向同性体中α不随方向而改变，因而各向正应变均相同，且不伴生角应变，于是弹
性体内各点的应变分量可表示为：
即ε0=αT[1,1,1,0,0,0]T，变温等效结点荷载为：
由变温等效结点荷载求得位移：
则温度应力为：
式中：K e为单元刚度矩阵；B为几何矩阵；D为弹性矩阵。

2）温度徐变应力的计算公式。

混凝土结构属于非均质的，不满足比例变形条件，复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、温度应变增量、徐变应变增量以及其他初应变增量。

混凝土徐变采用比较精确的表达式：
假定在每时段Δτ内，应力呈线性变化，应力对时间的导数为常数，即在Δτ内坠σ/坠τ为常数，取3个相邻时段t，t+Δτ1，t+Δτ1+Δτ2，经过推导，得到徐变变形增量的计算表示如下：
其中：～ n+1=～n e-kT x1 +T vn cn ，ω1=Δσ0c0
将温度应变增量、徐变应变增量以及其他应变增量作为初应变增量Δε0e代入下式计算位移增量Δδe：
当算出单元的位移增量Δδe以后，用下式就可计算出单元的应力增量Δσe：
再将应力增量与前一时刻的应力值叠加，得到这一时刻的应力值。

2 计算程序的二次开发[3-4]
有限元分析软件ANSYS在工程设计中的应用日趋广泛，其分析的标准过程为：建立模型、定义载荷、求解和解释结果。

若要修改结果，就必须重新建模并重复上述步骤，当模型较复杂或修改较多时，就相当繁杂、费时。

虽然ANSYS自身带有参数化设计语言APDL，但由于APDL语言本身功能有限，并且不提供图形化界面输
入，一般分析人员不易或不愿花太多时间去掌握。

本文提出用目前流行的VB语言，设计出方便的图形化参数输入界面，用VB语言强大方便的功能，完成复杂模型的建立，结合APDL语言，自动完成分析全过程。

3 计算实例
结合工程实践，对一典型坞式闸室工程进行施工期温度及温度应力仿真计算分析，模拟闸室成层浇筑施工过程，考虑外界温度变化和浇筑层之间的混凝土标号和龄期不同对温度场和应力场的影响，从而给出闸室若干时刻的温度场和应力场以及闸室某些部位的温度和应力历时曲线。

3.1 工程概况
安谷船闸为Ⅴ级船闸，位于四川省境内大渡河上，设计推荐方案为单级船闸，设计水头为37.65 m，闸室采用坞式结构(图1)，墙高近56 m，墙顶宽5.0 m，闸墙
背坡1∶0.4，底板厚度12 m，基础置于新鲜中厚层状砂岩夹薄层状砂岩上。

3.2 基本资料和参数
气温资料，采用余弦公式模拟气温：
混凝土、基岩热学参数列于表1。

图1 闸室结构剖面
表1 材料热学参数?材料种类导热系数/（W·m-1·K-1）线膨胀系数/(10-6·K-1)
放热系数/(W·m-2·K-1) 比热/(kJ·kg-1·K-1) 说明C25混凝土 2.40 9.0 13.89
0.900基岩 1.87 7.0 13.89 0.716 地温取20℃
3.3 计算模型及施工条件[5]
计算模型在沿水流方向取横缝之间的整个浇筑段，计算域基础范围为：垂直水流方向各取约40 m，地基深度也取40 m。

计算模型整体坐标系以船闸底板底面上游临河侧角点为坐标原点，水流方向为Z
方向，顺水流方向为正；垂直水流方向为X方向，临河向为正；铅直方向为Y方向，向上为正。

有限元计算模型见图2。

温度场计算中边界条件选取为地基底面和4个侧面以及船闸浇筑段间横缝为绝热
边界。

船闸侧面为固-气边界。

固-气边界按第三类边界条件处理。

应力场计算中取整个浇筑段进行计算，边界条件选取为地基底面按固定支座处理，其余侧面按简支处理。

图2 闸室有限元网格
施工进度计划:12月1日开始浇筑，一个浇筑层厚2 m，2 d浇完，其后间歇28 d，在第4年2月浇完。

3.4 温度场仿真计算结果与分析
闸室段不同时刻温度场云图如图3～4所示；各特征点的温度历时曲线如图5～8
所示；各特征点最高温度列于表2中。

3.5 应力场仿真计算结果与分析
各特征点的温度应力历时曲线如图9～12所示，各特征点最高应力值列于表3中。

图3 浇筑第245 d温度云图
图4 浇筑第425 d温度云图
图5 特征点1温度历时曲线
图6 特征点2温度历时曲线
图7 特征点3温度历时曲线
图8 特征点4温度历时曲线
表2 各特征点最高温度?
图9 特征点1应力历时曲线
图10 特征点2应力历时曲线
图11 特征点3应力历时曲线
图12 特征点4应力历时曲线
表3 各特征点最大应力?
4 结语
1）通过对有限元软件ANSYS进行二次开发，利用VB语言设计出方便的图形化参数输入界面，结合软件自带的APDL语言，能自动完成分析全过程，使得这种复杂的全过程仿真分析趋于简洁化，高效化，实用化，能更好地应用于工程实践，解决实际工程问题。

2）通过对工程实例温度场、应力场的计算可以知道，在夏季浇筑的闸室混凝土，由于受到外界气温的影响，其温度较高；反之，如在冬天浇筑则温度较低。

同时，闸底板孔周边因与空气对流，温度梯度较大，易产生较大的温度应力。

此外，在冬季低温季节浇筑的老混凝土，由于外界气温较低，收缩变形较大，新浇筑混凝土产生的膨胀变形受到老混凝土的约束，也将产生较大的拉应力。

建议在冬季浇筑时，可适当进行表面保温，降低孔周边温度梯度，或减小上下浇筑层变形差异，从而减小由此产生的温度应力。

参考文献：
[1]朱伯芳. 有限单元法原理与应用[M]2版. 北京: 中国水利水电出版社, 1998.
[2]王勖成, 邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M]. 北京: 清华大学出版社, 1997.
[3]陈精, 蔡国忠. 电脑辅助工程分析: ANSYS使用指南[M].北京: 中国铁道出版社, 2001.
[4]王国强, 实用工程数值模拟技术及其在ANYSYS上的实践[M]. 西安: 西北工业大学出版社, 1999.
[5]JTJ 307—2001 船闸水工建筑物设计规范[S].。