施工仿真分析（精选十篇）
施工仿真分析 篇1
美景大桥属于佛山市南海区美景大道建设工程,大桥全长686.28 m,主桥跨越西南涌及其两岸现状堤岸路后落地,为满足通航及水利、景观要求,主桥采用55 m+80 m+55 m预应力连续梁结构,跨中位置斜交角度15°,两幅桥设计,主桥单幅桥面宽度15.5 m,其中人行道3.25 m,采用悬臂浇筑法施工。
美景大桥跨度较大,施工周期长,施工过程较复杂,技术难度相对大,为了保证桥梁施工质量和安全,使工程能够顺利进行,在施工过程中实行施工控制是非常必要的。为使结构在建成时达到设计所希望的线形及合理的内力状态,同时在施工过程中保证结构安全,对美景大桥主桥工程施工的全过程进行有效的监控是很有必要的。
2 施工控制的目的
主桥施工采用分阶段逐步完成的悬臂施工法。施工控制就是根据施工监测所得到的结构参数真实值进行施工阶段的仿真分析,来了解结构各构件在每一施工阶段的实际受力状况及变形情况,及时发现问题,以便采取相应的技术措施。
3 模型的建立及仿真分析
3.1 美景大桥仿真计算的模型
在进行仿真计算时,将美景大桥简化成平面结构,各悬臂施工阶段离散成对应的单元,主梁部分离散为70个梁单元,支座单位分别在不同的施工阶段进行考虑和分析其不同的边界条件。结构的边界约束条件:墩与梁使用一般连接,墩底与桩采用固接,梁纵向位移和转动自由,仅有竖向与横向约束。美景大桥模型图见图1。
3.2 仿真分析中施工阶段的划分
桥梁的施工过程仿真分析包括正装计算和倒装计算两种。正装计算法是按照桥梁结构实际施工加载顺序来进行结构变形和受力分析,可以用来指导桥梁的设计和施工,为桥梁的施工控制提供依据。同时在正装计算中能较好地考虑一些与桥梁结构形成历程有关的因素,如结构的非线性问题和混凝土的收缩徐变问题。
该主桥采用悬臂浇筑方法施工,在计算中采用正装法计算,每个梁段划分施工阶段为:立模、浇筑混凝土后、张拉预应力钢束后等。本次计算实际共划分为41个施工阶段和1个运营阶段,运营阶段主要是考虑10年收缩徐变,它能够真实地反映不同施工状态下桥梁结构挠度和应力变化。
4 计算结果
4.1 各施工阶段截面应力值
通过仿真计算可以得到各个阶段的截面应力值。在现场施工监控中,施工控制的仿真计算和应力监测主要集中在关键截面应力的计算和监控上。对于美景大桥而言最不利截面为:1)主墩底断面。2)箱梁根部断面,选取1号块。3)边跨0.5l(l为边跨跨径)处,选取5号块。主梁截面应变计的埋设见图2,1号墩截面应变计的埋设见图3。
限于篇幅,本文只列出1号块箱梁根部断面应力值,见图4。
4.2 立模标高的确定
通过仿真计算所得到的各梁段预拱度和挂篮加载试验得到的各阶段挂篮变形值,可以确定各梁段的立模标高值。立模标高的计算公式如下:
其中,Hi为待浇梁段前端底板处挂篮底盘模板标高(张拉后);H0为该点设计标高;fi为本梁段及以后各梁段对该点的挠度影响值;fip为本梁段顶板纵向预应力束张拉后对该点的影响值;ft为挂篮弹性变形对该点的影响值(在挂篮加载试压后得出);fx为由混凝土徐变收缩、日照及季节温度变化、结构体系转换、二期恒载、活载等因素对该点挠度影响的计算值。
预拱度的计算是确定立模标高的基础,影响预拱度的因素很多,主要有:1)梁段自重;2)预应力大小;3)施工荷载;4)混凝土徐变收缩;5)二期恒载、活载;6)日照温差和季节温差。
在综合考虑各种因素后,将各影响参数输入软件中,通过软件进行荷载组合计算。同时可以根据需要得出不同荷载组合作用下各个施工阶段各梁段的挠度、合龙时的挠度、合龙后二期恒载作用下的挠度以及活载作用下的挠度等。
其中,挂篮变形的数值是通过挂篮加载试验得到的数据,绘制出挂篮荷载—挠度曲线,再进行内插得到各阶段挂篮变形值,在施工过程中再进行跟踪修正。
4.3 灵敏度分析
为了进一步讨论,对影响施工阶段内力和变形较大的几个主要条件进行改变,分析它们对预拱度的影响程度。分别改变条件:1)混凝土超重5%;2)弹性模量增加10%;3)预应力减少(摩阻增加10%);4)挂篮重量增加10%。
得到改变各个条件后主桥各阶段预拱度值与未改变时主桥预拱度值进行对比,可得:
1)当各个条件改变时,主桥各阶段预拱度所绘制出来的线型基本保持不变,只是数值有所变化,所以条件改变对整桥的影响程度,可以转化为预拱度最大值的变化程度来近似分析;2)当混凝土超重5%时,预拱度最大值由33 mm变化+4 mm,影响非常显著,这表明梁自身静载是影响主桥内力和变形十分重要的因素;3)当预应力减少(摩阻增加10%)时,预拱度最大值变化+2 mm,表明预应力钢绞线的有效预应力对主桥的影响也较大;4)当挂篮重量增加10%时,预拱度最大值稍有变化(变化-1 mm),这说明在三个因素中,施工临时荷载对主桥的变形影响较小。
5 结语
1)梁体自重、预应力钢束的有效预应力、材料的弹性模量、施工临时荷载(主要是挂篮荷载)等是对结构内力和变形产生影响的主要参数。2)通过灵敏度分析可以发现,主梁节段自重对主梁标高与内力的影响程度比混凝土弹模、混凝土收缩徐变系数的影响程度大,所以主梁节段自重的识别就显得非常重要。3)实际施工并不是设计图纸,而是与设计相互靠近,仿真计算不同于设计计算,不能照搬设计规范,虽以图纸设计为主要依据,但也要以实际施工为准。4)设计必须保证结构安全,而仿真既是验证设计,同时也要发现已经存在或将会发生的不安全因素,为实际施工提供更完善的数据。
参考文献
[1]向中富.桥梁施工控制技术[M].北京:人民交通出版社,2000.
[2]JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[3]向木生.连续刚构桥梁施工控制分析[J].武汉理工大学学报,2002,24(6):52-54.
[4]王卫锋,苏堪祥,颜全胜,等.广珠西线珠江大桥的施工控制[J].公路,2006(8):254-256.
[5]葛耀君.分段施工桥梁分析与控制[M].北京:人民交通出版社,2003.
[6]郑凯锋.桥梁结构仿真分析技术研究[J].桥梁建设,1998(2):10-15.
施工仿真分析 篇2
该软件具有丰富的材料库以及单元库，能够对任何结构形式的桥梁进行全桥仿真分析。该软件应用可以使全桥仿真通过对各种载荷工况的组合，反映出桥梁的综合特征，如应力分布、自振频率、变形情况、地震响应、振形、失稳特征等。
2.2 GQSJ
本系统为桥梁结构设计系统，可以对不同施工段的荷载进行计算。
2.3 Dr.Br1dge
应用本系统对模拟施工中的临时支架以及挂篮设备，对桥梁结构上下部的共同作用进行分析。包括对拉索面积、施工张拉力的计算以及抗裂性、强度等计算。
2.4 MDIAS/Civil
施工仿真分析 篇3
【关键词】虚拟仿真技术；建筑施工；应用研究
【中图分类号】V448.15+3 【文献标识码】A 【文章编号】1672—5158（2012）08—0168-01
随着现代科学技术的飞速发展，虚拟技术和仿真技术逐渐开始了有机整合，成功运用在了建筑工程的设计与施工中，并且完全改变了传统模式下的建筑设计和施工。究竟虚拟仿真技术是什么，它又是如何应用于建筑施工中，这些都是本文接下来会探讨的话题。
一、虚拟仿真技术概述
传统的仿真技术不能够模拟出人对于外界情况的感知，而虚拟仿真技术涉及到了关于仿真人的感知模型。虚拟仿真技术是在多媒体技术、传感技术、仿真技术以及计算机技术快速发展的基础上，虚拟技术与仿真技术有机结合的产物。虚拟技术与仿真技术完美结合在了一起，则能利用虚拟的现实技术建立与试验仿真的模拟模型，将仿真的过程和结果通过可视化、图像化的方式呈现出来，强有力地推动了仿真技术的高速发展。虚拟仿真技术具有四个基本特性，包括沉浸性、交互性、虚幻性与逼真性，这些特性在虚拟仿真技术中得到了有效的体现，同时也提升了虚拟仿真技术在仿真技术领域的竞争力。
二、虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究分析
虚拟仿真技术在现代建筑施工中的应用越来越普遍，意义也越重大。本文将从以下几个方面展开虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究分析：
（一）虚拟施工技术的应用研究
从一定层面上讲，建筑施工过程实际上就是把施工的设计图转化为实物的—个过程，只是这个“转化”的含义及意义都非常重大。传统的施工方法与方式太多，容易跟着实际情况产生变化，而且从图纸的设计到具体的施工环节，一般都很难按照原计划设计的图纸进行。此外，传统的施工技术为了确保施工顺利完成，一般总是凭借经验实施工程，然而某些经验往往会给施工带来决定性的失误。当前，大部分的建筑工程采用了全新结构，传统的施工技术已经无法适应当下复杂的施工条件，因此转变施工技术才是重点。虚拟施工技术应用于建筑施工中，能够改善传统技术下的盲目、主观与随意，能最大化地提高工程的质量，减少成本、耗材，提高施工的安全。利用虚拟施工技术的交互性和高度仿真性，可以建立施工设计的几何模型，建筑施工的相关人员能够根据所需进行施工的虚拟试验，从而筛选出最佳的设计方式。
（二）仿真技术的应用研究
仿真系统是虚拟仿真技术的基础之一，它能够仿真虚拟建筑物施工周围环境的外景，并且效果非常良好。通过仿真系统，可以将设计图纸上的建筑物进行详细建模，并能对建筑物周围的相关环境因素如道路、休闲场景等进行建模。相关的设计人员与业主可以从不同的视角观察仿真系统建模下的建筑物，也可以通过不同的入口走进虚拟建筑物中，还可以边走边看，相当于一次赏心悦目的漫游，并且还能通过鼠标与这个虚拟仿真建筑进行实时交互。在虚拟场景中，每一个物体都与实体之间有着高度仿真效果，其中还有声音与动作等仿真特效，这就使得虚拟场景有着很强的真实感，让人有种身临其境之感。
（三）虚拟仿真技术在复杂空间的钢结构施工中的应用研究
在某些建筑施工中，存在着复杂空间钢结构施工，它是从一个部分逐渐到整体的完善过程，因此耗时，同时必须注意细节。复杂空间钢结构的不同施工阶段，其负载情况、结构的形态、受力特性以及边界条件都不相同。在一个阶段施工完成之后，暂时会处于一种平衡状态，但是进行下一阶段施工时，原有的平衡就会被打破，只有新的阶段完成，才能再次实现平衡。复杂空间钢结构的施工是一个平衡不断被打破继而又保持平衡的过程，在处理过程中显得有些复杂，受力的因素也比较多，加之使用的施工方法不同，往往无法有效进行施工的指导。大量实践证明，事故频繁的高峰期往往就在施工阶段，若处理不慎，极易酿成大祸。以往的施工过程中缺乏对施工的分析或者分析不够详细，致使施工中总是出现施工安全问题，而如今有了虚拟仿真技术，它可以对复杂空间钢结构进行全程跟踪，及时找出施工中哪个阶段会是最危险的，然后加以控制。
（四）虚拟仿真三维动画在施工中的应用研究
虚拟仿真技术三维动画的出现，打破了传统施工只能依靠经验分析施工过程的模式，为现代化的建筑施工提供了一个便捷有效的分析手段。通过三维动画对施工过程进行分析，专家、施工的技术人员以及业主就能对施工全过程甚至是每一个细节都能清除了解。此外，工程中会遇到的重难点以及关键环节，都可以通过仿真技术以三维动画的形式展现出来，而且还可以根据业主的所需进行合适的调整，并及时修改原有的施工方案。目前，这种手段已经成功运用在了一些大型、重要的建筑中，比如中央电视台的新址、上海环球金融中心、珠江新城西塔等，它的成功吸引了越来越多社会业界的关注。
（五）虚拟仿真技术在施工安全方面的应用研究
安全，不论在什么时代，都是必须保障的主题之一。传统建筑模式下，很难预见安全隐患，但是虚拟技术的应用，能让安全隐患一目了然。
1、进行施工安全控制的方案优化
在建筑工程施工分析中，如果采用虚拟仿真技术进行分析，可以发现很多传统模式下无法发现的隐患，同时也能够对不同类型的施工安全控制方案进行相应的模拟演练，并进行比较，最终确定出—个最佳的方案，实现安全控制方案同相关的成本控制、资金预算、损耗控制等方面的最大化。
2、实现安全演练与预防的最优化
实现安全演练与预防的最优化可以从以下三个方面进行：其一，工作经验丰富的工程师要充分去了解容易出现隐患和发生事故的工程环节，利用虚拟仿真技术建立三维动态仿真模型，为类似事故的发生提前做好预防；其二，应该进行紧急逃生演练的模拟，通过模拟演练，训练现场工作人员的自救能力、逃生路线的抉择以及应急行动的实施；其三，还能做好安全教育，比如通过事故过程模拟，让大家感受事故，预先做好安全防范。
三、结语
从目前来看，虚拟仿真技术在建筑施工中越来越普遍，这大大地降低了施工安全隐患、控制了施工的成本，同时也实现了施工控制的最优化。我们应该继续探索虚拟仿真技术在建筑工程中的应用，以便更好的让其为社会主义现代化服务。
参考文献
[1]杜晓刚.虚拟仿真技术在建筑施工中的应用分析[J].中华民居，2011，（6）：161-162
[2]郑亚文.虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究[J].施工技术，2009，38（12）：114—117
连续梁箱梁施工过程仿真分析 篇4
一、箱梁模型建立过程
1. 材料和截面的定义
定义C50混凝土、1860钢绞线和关键部位的三个普通截面及变截面。材料的时间依存特性参照以下数据来输入:
28天强度:fck=400kgf/cm2;
相对湿度:RH=65%;
理论厚度:1m;
混凝土种类:普通水泥 (N·R) ;
拆模时间:3天。
2. 建立结构模型
以 (0, 0, 0) 点开始建立节点, 利用1中定义的截面扩展单元, 从而建立桥梁的初始模型。
3. 定义边界条件。
4. 输入钢束特性值和布置钢束形状。
5. 输入荷载:模型考虑了结构自重、预应力钢束荷载、二次铺装荷载、混凝土收缩和徐变的作用效应, 但是没有考虑连续梁桥成桥后所受到的设计荷载。
6. 定义了14个边界条件组和11个荷载组, 并且根据施工的顺序, 以及已经定义好的边界组和荷载组定义出结构组1~6。
根据以上过程建立了大张村三跨连续箱梁桥的模型, 全桥共有656个节点, 355个单元, 模型如下图:
二、计算结果及分析
数值仿真分析, 主要是对各阶段施工工况下的相应截面的应力、位移进行分析。按照前述方法建立了模型, 按照施工顺序对各施工阶段进行了分析。其中, 第一施工阶段计算结果分析如下:
(1) 通过分析1#段混凝土浇筑完成后的位移图和应力图得到:此施工阶段结束后, 1#梁段最大位移不超过2mm, 梁段产生的压应力最大值为0.08MPa, 大致位于中墩支座截面, 远远小于混凝土的抗压强度, 拉应力最大值为0.07MPa, 拉、压应力分布较为均匀, 受力状态良好。
(2) 通过分析1#段预应力钢筋张拉完成后的位移图和应力图得到:此施工阶段结束之后, 1#梁段整体产生向上的位移, 正向最大位移为1.82mm, 位于171节点附近, 大约在左半梁段的中间部分;梁段整体受压, 产生的压应力最大值为1.28MPa, 位于中墩支座截面, 远远小于混凝土的抗压强度, 并且整体无拉应力存在, 说明1#号段施工预应力效果明显。
由于篇幅限制略去其它施工阶段的计算结果分析, 但从整个数值仿真分析结果中可以得到, 各个施工阶段施工效果良好, 未出现位移过大以及混凝土应力过大的现象。整体预应力施工效果显著, 施工结束后梁体有“上拱”现象, 对运营过程中的承受荷载有利, 该连续梁安全储备较好。
三、支架刚度对计算结果影响分析
满堂支架刚度简化和换算的精度对建模的精度有着重要的关联。有必要分析对比不同支架刚度取值对计算结果的影响, 探索支架刚度简化和换算的最优方法, 为类似结构的建模提供重要的参考和依据。
1. 满堂支架刚度简化以及换算过程
模拟时, 将满堂支架对桥跨的作用简化为弹簧支撑, 每隔两米布置一个弹簧, 此弹簧支撑范围内的满堂支架刚度按并联计入, 刚度取值时满堂支架按弹性考虑, 则弹簧的换算刚度为:
其中:n—纵向两米范围内支架立杆的根数;E—钢管的弹性模量;
A—钢管的截面积;L—立杆的长度。
根据支架布置情况进行等效刚度的计算, 初步计算出弹簧的换算刚度如下:
2. 不同换算刚度取值条件下数值模拟分析结果
分析分别取第2、3、4、5施工阶段, 在其他条件相同的情况下, 取不同的换算刚度值, 对应力和位移计算结果进行比较分析。其中第2施工阶段不同换算刚度取值条件下的最大应力和最大位移计算结果见表1和表2。
由于篇幅限制略去其它施工阶段的计算结果, 但从结果分析中可以得到, 弹簧不同的换算刚度几乎对应力计算结果无任何影响。它对数值模拟分析精度的主要影响在于位移, 因此再次探究不同弹簧换算刚度对位移的计算结果的影响规律, 分别取原始刚度的1/10、1/2、1/5、2倍、4倍、8倍来模拟计算同一施工工况下的同一截面的最大位移, 分析其影响规律, 从中可以发现:弹簧换算刚度对梁体向下的位移影响较大。采用原始换算刚度计算得出的位移值比后期现场位移监控的实测值偏小, 因此应该考虑到实际模型和计算模型的误差, 对换算刚度进行适当的折减, 对于底部钢管柱, 上部贝雷梁和碗扣式脚手架组成的高在16m范围内的组合支架结构, 建议折减数为0.5~0.8。对于本模型而言当折减系数0.5时:K=1.3315×105KN/m;折减系数0.8时:K=2.1304×105KN/m。
四、结论
在参阅国内外有关资料与研究成果的基础上, 利用Midas/Civil对大张村大桥进行施工全过程仿真分析, 归纳起来, 主要有以下几点结论:
(1) 通过模型计算来获得了桥梁结构在各个施工阶段的受力状态和变形情况, 计算结果为桥梁各个施工阶段的受力和变形监测监控提供了理论依据, 使桥梁在各个施工阶段的结构行为按照理想轨迹变化。
(2) 通过施工前的仿真分析, 了解结构的受力状况, 以便合理布置传感器, 为更有效地获得控制截面的应力数据做好准备。
施工安全vr运用虚拟仿真技术 篇5
建筑vr安全教育体验馆共有两种体验模式分别为：PC端BIM+VR体验，手机端BIM+VR体验。相比于PC端，手机端体验更加灵活，不受场馆限制。建筑vr安全体验馆把建筑工地的实景转换到虚拟场景中。
体验者仅需用手机扫描二维码，戴上VR设备，即可体验到安全体验馆、质量样板、场布及绿色施工设施虚拟场景，不但可以清晰明了地查看工程的整体概况和内部结构的每一个部件，还能进一步优化建设方案、提高工程质量。该体验馆还能模拟电击、高空坠落、洞口坠落、脚手架倾斜等效果，施工人员可以通过虚拟场景模拟，有效避免施工时的安全事故。将手机放入VR眼镜中，可对虚拟场景进行全视野观看。配合技术交底，工人可更直观的感受、学习其中的内容。
想象一下，如同看3D-IMAX电影一样，体验者戴上VR眼镜后，仿佛身临其境，整个工程形象逼真地展示在眼前，似乎触手可及：体验者可以在虚拟的建筑工程中随意“进出”、“攀爬”，可以逼真地感受日夜交替下的工程风景，也可以清晰明了地查看工程结构的每一个部件、得到详细的属性、参数……在这个虚拟的世界里，一切都那么“真实”
目前建筑工地传统安全教育主要体现为“灌输式”“填鸭式”培训，尽管绝大多数工人能够顺利通过考核上岗，但安全意识却始终参差不齐。因此VR安全教育系统，通过对高处坠落、火灾、机械伤害、物体打击等项目的虚拟化、沉浸式体验，达到施工安全教育目的。
体验馆的几点优势：
（1）新兴的科技体验激发了工人参加安全教育的兴趣，工人对安全事故的感性认识也会增强；
（2）虚拟场景建设不再受场地限制，可最大程度模拟真实场景下的安全事故；
（3）体验者进入虚拟环境可对细部节点、优秀做法进行学习，获取相关数据信息，同时还可进一步优化方案、提高质量；
土体边坡仿真分析 篇6
摘要:文章选用模拟单元对边坡施工过程中的土体受力问题进行了有限元分析。通过对边界条件的真是模拟,清晰的的获得了应力、应变、位移等信息,得出了土体开挖过程中的受力状态,为安全施工提供了保障。
关键词:边坡;模拟单元;仿真
中图分类号:TV698.17 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)24-0139-01
边坡的防护对于边坡的稳定、安全使用、美化道路、保护环境和经济效益都起着重要的作用。根据地质条件,合理选择边坡的设计坡度,对于边坡的稳定性非常关键。边坡过陡,难以稳定,导致经济指标高;过缓虽对稳定有利,但是会增大土石方量,甚至会占用更多的土地。边坡的防护设计是道路设计、施工中的重要环节,尤其实在修建山区道路时更为突出。由于边坡防护工程与地质条件有关,很难通过手工计算来验证防护措施。因此,随着计算机模拟数值技术的发展,有限元方法以其强大的通用性在路基处理方面占据了重要作用。
1边坡施工中的研究
①建模与加载。挡土墙选用Beam3[1]单元,Beam3单轴元素,具有拉,压,弯性能。在每个节点有3个自由度。X,y,方向以及绕z轴的旋转。;围岩地址模拟选用PLANE 42单元,Plane42元素即可用于平面单元(平面应力或平面应变)也可用于轴对称单元。该元素由4个节点定义,每个节点2个自由度:x,y方向。具有塑性,徐变,膨胀,应力强化,大变形,大应变能力。。对挡土墙以上的部分的围岩地址定义为“KILL ELEMENT”,更加真实的模拟边坡来挖工程。对边坡边界施加约束荷载和重力加速度,具体如图1所示(图1中挡土墙部分以上为不被激活的单元)。
②位移变形图。运行求解命令进行求解,进入后处理提取出位移变形与云图如下图所示。从图中可以看出土体的位移变化,随着深度的增加位移值越来越大,但是在挡土墙附近的位移最小,这是因为挡土墙以上的单元处于未被激活的状态,与实际工程相吻合。
③应力云图。节点应力云图[2]如下图所示,在平均应力图中挡土墙周围的应力降低,整个挡土墙成为分界点,在挡土墙左部应力几乎为零;除了挡土墙其余部分的应力随着深度的增加而增大,直至到达端部道道最大。表明边坡施工过程中的设计、施工重点是挡土墙背后产生的应力突变问题,这也印证了单元生死法将挡土墙以上的围岩“冻结”,不参与计算的假定。
2 结 语
闸墩施工及养护期间温度场仿真分析 篇7
1仿真分析中的温度场理论
1.1 边界条件的处理
第一类边界条件:混凝土表面温度T是时间的已知函数, 即:
T (x, y, z, t) =f (x, y, z, t) (1)
混凝土与水接触时, 表面温度等于已知的水温, 属于这种边界条件。
第二类边界条件:混凝土表面的热流量是时间的已知函数, 即:
第三类边界条件:当混凝土与空气接触时, 经过混凝土表面的热流量是:
第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T和气温T0之差成正比, 即:
其中, β为表面放热系数。
第四类边界条件:当两种不同的固体接触时, 如果接触良好, 则在接触面上温度和热流量都是连续的, 边界条件如下:
在四种边界条件中, 以第一类边界条件即混凝土表面的温度是已知函数的处理最为简便。而在实际混凝土建筑物中, 广泛适用的是第三类边界条件, 即假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度和混凝土周围介质温度之差成正比。在用ANSYS作仿真分析中, 对第三类边界条件的处理采用直接对混凝土与周围介质的导热系数及参考温度赋值。
通过上述的处理, 就可以将第三类边界条件简化成第一类边界条件来处理, 将边界条件定义成时间函数也较容易些。
1.2 混凝土水化热温升
水泥水化热是影响浇筑体温度场的一个重要因素, 它随着水泥的品种、水泥的用量、混合材料的品种和浇筑温度不同而异。假定混凝土处于上下左右都不能散发热量的绝热状态, 混凝土内的温度持续上升, 随时间上升的规律由下式确定[1]:
绝热最高温升:
其中, W为每立方米混凝土中水泥含量;q为每千克水泥散热量, kJ/kg;c为比热, 一般为 0.92 kJ/ (kg·℃) ～1.0 kJ/ (kg·℃) ;ρ为混凝土容重, 取2 400 kg/m3～2 500 kg/m3;m, n均为常数, 随水泥品种不同而取不同的值。
1.3 对浇筑过程及边界条件的模拟
对一般的有限元程序, 求解瞬态热传导问题时, 通常是只有统一的时间起点, 不适合用于模拟求解混凝土浇筑这类有浇筑时间先后顺序的瞬态热传导问题。因为无论是边界条件, 还是初始条件和内部水泥的水化热都和时间相关, 随时间变化。将混凝土内部水泥的水化热, 边界条件和初始条件在时间变量上的变化表示成具体的时间数值函数, 通过定义单元的“生、死”, 来实现对混凝土浇筑过程的模拟。
1.4 保温措施的计算
当混凝土表面附有保温层时, 混凝土表面通过保温层向空气放热的等效放热系数βr可由下式计算[2]:
其中, λr为第i层保温材料的导热系数;hr为第i层保温材料的厚度;β为最外面保温板与空气间的表面放热系数。
按式 (8) 算出等效放热系数后按第三类边界条件处理。
2计算模型与计算参数
2.1 三维有限元计算模型
闸墩混凝土浇筑施工均分为三层, 先浇筑第一层 (2.7 m) , 浇筑完间歇9 d再浇筑第二层 (4.8 m) , 其后间歇17 d浇筑第三层 (4.8 m) 。仿真计算中, 时间步长取1 d计算一次, 一共计算70次。
基础长度方向同闸墩等长, 宽度方向两边比闸墩各宽出5 m, 厚度3 m。混凝土与空气接触的部分施加热交换条件, 基础底部及四周施加绝热边界条件。整个有限元模型节点总数约为14 000个。采用8节点六面体单元, 热分析采用Solid70单元, 结构分析采用Solid45单元。模型的建立采用直角坐标系, 闸墩宽度方向为x轴, 竖直方向为y轴, 过水方向为z轴, 模型如图1所示。
2.2 计算参数
2.2.1 气温及混凝土初始温度资料
取当地实测气温的日平均值, 混凝土初始温度采用浇筑时的实测温度。
2.2.2 混凝土热学特性
混凝土热学特性见表1。
3计算结果与分析
根据实际测温资料及仿真分析计算得到的前两层的测点温度及气温随龄期的变化曲线见图2, 图3。
由图2, 图3可以看出仿真计算的第一层及第二层混凝土内部温度随龄期变化时程曲线与实测的温度随龄期变化时程曲线基本吻合。混凝土温度的峰值出现在混凝土浇筑后的大致第3天。第一层温度最大值为47.2 ℃, 第二层温度最大值为49.2 ℃, 也与实测的混凝土温度的峰值一致。
ANSYS模型仿真分析计算得到的前两层的内部及表面温度随龄期的变化曲线见图4, 图5。
由图4, 图5可看出底板混凝土的内外最大温差15 ℃左右, 墙体的内外最大温差17.5 ℃左右。混凝土的内外最大温差出现在各层浇筑后的第3天时, 且混凝土内部温度变化较为平缓, 而表面温度变化则呈现小幅波动趋势, 这是由于表面虽有保温层, 但气温变化仍对结构有小幅影响。
4结语
1) 施工期温度场仿真分析得到的温度随龄期变化过程曲线与实测温度随龄期变化过程曲线基本一致, 说明本文计算中选取的参数是合理的, 用ANSYS对混凝土浇筑施工及养护的仿真模拟是可行的。2) 对比前两层的内部及表面的温度变化曲线, 在施工期间虽然采取了保温措施, 气温变化仍能对结构产生小幅影响。3) 通过仿真分析, 在进行施工之前, 就能预见结构物温度场的变化情况, 可以客观的评价所制订的施工方案是否合理。
参考文献
[1]SL/T 191-96, 水工混凝土结构设计规范[S].
[2]朱伯芳, 许平.加强混凝土坝面保护尽快结束“无坝不裂”的历史[J].水力发电, 2004, 30 (3) :25-28.
[3]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社, 1998.
施工仿真分析 篇8
1基于ANSYS软件开发桥梁结构施工仿真分析程序
本文基于前面介绍的一种ANSYS[1,2,3,4,5,6]二次开发工具——APDL语言, 编写了一套大跨径桥梁结构施工分析程序。该程序能较真实地模拟大跨径桥梁结构施工的全过程, 给出各个施工阶段的应力、位移和内力值。在开发程序的过程中, 有一些需要解决和注意的关键问题。下面对这些问题作简要介绍, 并给出了相应的解决方案。
1.1 单元类型的选取[1,2,7]
采用ANSYS软件进行桥梁结构施工过程分析时, 宜按以下原则来选取单元:1) 选取的单元必须最大程度地模拟结构的受力性能;2) 必须保证计算结果具有足够的精度;3) 有限元模型建立要尽量简便, 计算工作量要尽量小, 进行结果处理时也要比较方便。因此, 本文在某特大桥施工过程分析中主要采用了以下4种单元类型:空间梁单元Beam44、空间杆单元Link8、壳单元Shell63和弹簧单元Combin14。
1.2 预应力钢筋的处理
在混凝土桥梁中, 预应力技术应用广泛, 预应力钢筋对保证整个桥梁结构的安全起着极为重要的作用。能否合理模拟预应力已成为施工模拟程序成功与否的关键。ANSYS中对预应力的模拟方法很多, 本文着重介绍整体式方法。
将混凝土和力筋划分为不同的单元一起考虑而模拟预应力又可以分为降温方法和初应变方法。主要缺点是建模不便, 尤其是当力筋较多且有曲线布筋时 (可以采用APDL解决) ;其优点也是很明显的:1) 力筋的具体位置一定, 对结构的影响可以全面考虑;2) 力筋对混凝土的作用近似的得到考虑 (在节点处) ;3) 可以模拟张拉不同的力筋, 以优化张拉顺序;4) 不管何种荷载, 都是力筋和混凝土共同承担, 可以得到力筋在任何荷载下的应力;5) 可以模拟预应力损失的影响。混凝土和力筋单元的连接可以采用节点耦合的方法, 该方法简单、实用。综上所述, 对于大型复杂桥梁结构预应力钢筋的模拟宜采用降温方法或初应变方法。
1.3 施工过程的模拟分析方法[3,6,8,9]
大跨度桥梁结构的施工工序复杂, 全桥刚度是分阶段逐步形成的, 桥梁结构的最终形成, 必须经历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转化过程, 结构体系和荷载随施工而不断变化, 结构分析的单元与节点数目也比较多, 为此, 本文将“单元生死技术”引入到大跨径桥梁结构施工过程的模拟分析中, 只需进行一次分析模型的建立, 即在分析前一次性将成桥状态的全桥分析模型建立好, 然后根据各个阶段的施工状况通过激活或杀死单元以及设置相应的荷载步来模拟桥梁施工全过程。通过引入“单元生死”技术, 使得该桥的施工仿真分析过程大大简化, 处理结果也比较方便。本文基于ANSYS单元生死功能和参数设计语言 (APDL) 编制程序功能, 将上述思想应用到该特大桥的施工过程结构分析中。
1.4 结构的非线性问题
结构非线性问题, 通常分为两大类, 即材料非线性问题和几何非线性问题。在该大跨径桥梁结构施工过程中, 结构的材料一般都处于弹性范围之内, 施工仿真分析时, 该桥的非线性影响主要由几何非线性引起, 材料非线性的影响一般可以不考虑[10]。因此本文也仅考虑几何非线性对结构的影响。
2工程实例分析
2.1 工程概况
某特大桥全长约1 341 m, 其中主桥长度640 m, 为120 m+400 m+120 m的斜拉钢管混凝土拱桥, 该桥主桥由塔、斜拉索、钢管混凝土拱、吊杆、系杆、钢—混结构桥面系、预应力混凝土边跨箱梁等组成多体系组合结构。桥面全宽27 m, 设双向2%横坡, 主跨桥面系采用悬吊体系, 由钢横梁、钢纵梁和混凝土桥面板组成。混凝土索塔为花瓶形, 顺桥向为独柱, 横桥向为双柱花瓶形, 塔上设三道横梁。主拱采用中承式双肋无铰月牙式平行拱, 计算跨径388 m, 拱轴线在竖直面上的投影为七次抛物线。边拱为双肋上承式钢筋混凝土箱形半拱, 形成“飞燕”构图, 计算跨度62.0 m。斜拉索采用ϕj15.7镀锌涂油外包PE钢绞线, HDPE外套, 两端采用FREYSSINET HD2000FPB锚具, 斜拉索的布置采用空间扇形, 每塔10对斜拉索。主桥共设16根49束ϕj15.7钢绞线系杆, 每个拱肋8根, 按两排4根布置。
2.2 空间有限元模型
结构混凝土主梁、主拱等离散为Beam44单元, 斜拉索、系杆、吊杆离散为Link8单元, 主拱间缀板离散为Shell63壳, 采用Combin14单元模拟桩和土效应, 采用大型通用有限元软件ANSYS建立了该桥有限元模型, 如图1所示。空间有限元模型单元数为14 653, 节点数为8 301。
2.3 仿真计算与分析
2.3.1 全桥施工阶段划分
整个仿真计算根据设计图纸共分为36个计算阶段, 列举几个典型的施工阶段有限元图形如图2～图5所示。
2.3.2 使用阶段计算及其结果分析
根据桥梁规范, 结合本工程实例, 确定荷载组合为结构自重+二恒荷载+预应力+汽车荷载+人群荷载。汽车活载为公路Ⅰ级荷载, 按6车道考虑, 车道折减系数0.55, 纵向折减系数0.97, 人行道荷载集度4 kN/m2。另外近似考虑了结构整体升温降温、混凝土收缩徐变等荷载作用, 进行了偏载工况、更换斜拉索和结构敏感性等多种工况分析。
限于篇幅, 这里不再列出各施工阶段和使用阶段各工况的应力、内力、位移结果, 详细结果数据及分析结论参见计算研究报告。
3结语
通过本文的介绍和工程实例显示可以看出, 利用ANSYS提供的二次开发工具 (APDL语言) 进行大跨桥梁结构静力问题的求解是完全可行的, 也是有效的。掌握和运用好这一工具对我们进行桥梁结构计算分析就显得方便快捷, 尤其是对大型复杂桥梁结构的施工过程仿真分析就更为实用。
摘要：介绍了ANSYS软件的基本功能及其前后处理、求解器和相应的二次开发工具, 讨论了基于ANSYS软件的APDL语言程序开发大跨径桥梁结构施工仿真程序中值得注意的一些问题, 最后对某特大桥进行了施工仿真分析。
关键词：大跨径桥梁结构,施工仿真分析,二次开发,ANSYS
参考文献
[1]美国ANSYS公司.ANSYS APDL Programmer’s Guide, 1994.
[2]美国ANSYS公司.Theory Release5.7, 1998.
[3]博嘉科技.有限元分析软件——ANSYS融会与贯通[M].北京:中国水利水电出版社, 2002.
[4]龚曙光, 谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京:机械工业出版社, 2004.
[5]张亚欧, 谷志飞, 宋勇.ANSYS7.0有限元分析实用教程[M].北京:清华大学出版社, 2004.
[6]祝效华, 余志详.ANSYS高级工程有限元分析范例精选[M].北京:电子工业出版社, 2004.
[7]张宏斌.钢管混凝土拱桥空间建模技术及其动力特性分析[A].//ANSYS CHINA 2006用户年会论文集[C].2006.
[8]裘伯永, 盛兴旺, 乔建东, 等.桥梁工程[M].北京:中国铁道出版社, 1997.
[9]肖汝城.桥梁结构分析及程序系统[M].北京:人民交通出版社, 2002.
施工仿真分析 篇9
一、虚拟仿真技术的概述
虚拟仿真技术是一种利用计算机系统模拟出另一个系统, 结合图形技术, 利用逼真的仿真技术在人和系统之间形成交互性沟通的先进技术。这种遵循着自然界发展规律的虚拟仿真技术, 是当今时代在世界范围的应用都极为广泛的一种先进的高新科技, 在教育、娱乐、设计、艺术和制造业等方面都有着普遍性的应用。截止2014 年, 虚拟仿真技术在军事航空上的应用达到了16.4%, 在医学上达到了9.3%, 在商业方面达到了5.83%, 在建筑业上的应用高达27.51%。不难发现, 虚拟仿真技术已经在不知不觉中深入到了人们的日常生活和社会生产中, 为社会与科技的发展带来了巨大的经济效益、科学效益和社会效益。尤其是在建筑施工行业, 虚拟仿真技术本身所具有的预测性、快捷性和安全可控性等优势特点, 为建筑的设计、施工和维修等工作带来了便利性的服务。工作人员不仅可以借助虚拟仿真的技术解决抽象思维和实际建筑之间的关联问题, 也大大提升了建筑施工在科技含量和建设效率上的综合水平。虚拟仿真技术的有效应用, 可以对建筑工程的施工方案进行模拟性的仿真验证和虚拟性的优化提升, 在有效控制建筑工程施工成本的同时, 也降低了建筑施工现场安全事故的发生几率。
二、虚拟仿真技术在建筑施工过程中的具体应用
(一) 仿真技术在建筑施工中的应用
仿真技术, 顾名思义, 就是模仿着真实的物体建立起虚拟的仿真物体。仿真技术在建筑工程的施工过程中通常被应用于施工环境的模拟。技术人员可以利用仿真技术, 按照设计图纸上的宏观规划, 对施工现场周围环境中的建筑物、草地、街道和加油站等实际物体进行仿真建模。而建立起仿真的环境模型以后, 设计人员可以站在不同的角度上观察施工现场的外围环境, 也可以从不同的入口和通道透视虚拟建筑物的内部情况, 还可以利用鼠标对仿真模型进行尝试性的交互改动, 观察环境模型在改动过后的实时性变化。应用仿真技术建立起的施工环境模型既可以和实际物体成同等的大小, 也可以按照一定的比例对其进行放大和缩小, 方便设计人员的进一步观察。此外, 基于仿真技术建立的模型中还伴有仿真的声音和动作。不管是街道闹事的喧闹声还是交通运输的流动性, 都能够让环境模型的观察者们有身临其境的真实感。
(二) 虚拟施工技术在建筑施工中的应用
建筑施工的过程是一个将施工设计方案的图纸转变成实际物体的创作过程。就以往而言, 要想建筑工程的建设施工完全按照设计的图纸开展和实施, 保证最终的成品和设计图纸的一致性是非常困难且几乎不可能实现的。因为在建筑施工的过程中存在太多的不确定因素。多种施工方式和技术工艺的同时实行, 很容易导致建筑工程项目建设在实际施工的过程中发生一定限度内的变化。所以, 以往的建筑施工更多是依靠建筑施工人员的施工经验, 选择出最优的施工方案。然而, 以人的经验为依据进行的工作往往存在主观性的缺陷和错误, 会阻碍建筑施工工作的顺利开展。而虚拟施工技术可以通过数字型几何模型的科学设计, 利用现代化网络信息技术的交互性和仿真性, 建立起与施工方案相一致的建筑虚拟施工模型, 用计算机推演和计算出方案的可行性与安全性, 从而选择出最佳的施工方案。这种虚拟施工技术可以大幅降低施工成本中的多余花销, 提高建筑工程的施工质量和效率, 常常被应用于施工前期的方案选择和施工预演。
(三) 三维动画技术在建筑施工中的应用
三维动画技术的应用主要是针对建筑工程施工的全程分析。建筑施工中的三维动画技术是建立在施工全过程的记录基础之上的, 利用这种带有记录性质的三维动画, 工程施工中的注意事项和重难点, 可以通过高仿真的3D效果呈现在监督管理者面前。一方面, 可以帮助施工人员随时掌握施工现场的每一个细节性施工环节, 对每一个施工阶段中的工序和工艺进行精细化管理, 适时、及时地对施工方案进行合理修改和调整。另一方面, 三维动画技术对专业人员的技术要求并不高, 这就在一定程度上节约了建筑工程施工的投资成本。鉴于这两个方面的优势特点, 三维动画技术在各个地区的建筑施工过程中都能够得到广泛的应用与推广, 也都能取得良好的技术效果和应用反馈。目前, 三维动画技术在包括建筑施工在内的许多行业中都获得了高度的关注与重视。
(四) 虚拟仿真技术在复杂空间钢结构中的应用
现代化的建筑设计基本上采用的都是复杂空间的钢结构施工。由于复杂空间钢结构的形态、负载受力和边界条件在不同施工阶段都会呈现出不同的特性。而且每两个阶段交接的时候, 已经安装的复杂空间钢结构很容易受到新安装结构的推挤和影响。然而, 技术人员必须保证建筑施工的每一个阶段中, 复杂空间钢结构的整体性始终处于相对平衡的状态。所以, 每到一个新的施工阶段, 技术人员都需要找到复杂空间钢结构中新的平衡点。建筑工程里的复杂空间钢结构施工是一个由部分到整体的施工过程。需要根据钢结构部分施工的具体情况选择出针对不同部位的施工方法。利用虚拟仿真技术对复杂空间钢结构的施工过程进行全程性的跟踪记录, 既能够从整体上分析出钢结构的最佳施工方案, 也可以就单个部分规划出最优的组合方案。应用虚拟仿真技术, 可以分析出建筑工程建设施工过程中最危险的阶段, 同时提高建筑工程设计方案中的技术含量和安全可靠性。
(五) 虚拟仿真技术在建筑安全控制中的应用
安全问题在建筑工程的施工中是最重要的工作之一。施工现场出现的安全事故, 带来的风险远不止经济上的损失这一点, 严重的时候还会威胁到现场施工人员的人身安全和财产安全, 同时还会推迟施工的工期。利用虚拟仿真技术, 可以对建筑工程施工的设计方案进行提前的模拟性演练, 也可以对安全事故的过程进行动态的仿真建模。模拟性演练有利于技术人员对不同的施工方案进行比较性的选择, 进而对施工现场各种各样的不安全状态进行预测、评估、管理和防范。施工人员也可以在施工过程中了解到安全隐患所在的施工位置。
结束语:
应用于建筑工程建设施工的虚拟仿真技术, 在自身基础性的技术层面上又提升到了一个新的高度。既推动了建筑工程的施工工艺和技术, 又有效实现了对工程质量、成本资金和安全问题的控制。施工现场的技术人员只要可以充分掌握虚拟仿真技术的应用技术, 就必然能够提高建筑施工的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]马玉杰.探讨虚拟仿真技术在建筑施工中的应用研究[J].中国科技投资, 2012, 24:50.
[2]李众立, 李培亮等.基于虚拟现实技术的建筑施工动态仿真研究[J].计算机与现代化, 2012, 08:80-83.
施工仿真分析 篇10
立洲水电站系木里河干流水电规划“一库六级”的第6个梯级,坝址区位于四川省凉山彝族自治州。立洲碾压混凝土拱坝最大坝高138.0 m(含垫座),混凝土方量约38万m3。该拱坝坝肩槽高陡,三维效应显著,施工碾压仓面长宽比大、工期紧、入仓强度高、温度边界及应力状态复杂。坝体施工间歇期长,后期温升、过水冷激、寒潮袭击以及高而薄的碾压混凝土拱坝坝体结构施工期、运行期工作性态等均值得关注,加之碾压混凝土材料早期抗裂性能相对较差,温控防裂问题比较复杂,难度大,其温度仿真与温控防裂措施是该工程设计、施工的关键技术之一。
2计算原理
2.1 温度场有限元计算原理
由热传导原理,拱坝温度场的计算按三维瞬态温度场考虑,其三维不稳定温度场T(x,y,z)应满足下列微分方程及相应的初始条件和边界条件。
控制微分方程:
初始条件:
边界条件:
第一类边界条件:
绝热边界条件:
第三类边界条件:
式中:T0(x,y,z)为给定的初始温度;θ为混凝土绝热温升;α为导温系数;β为表面放热系数;Tb给定的边界温度;Ta为外界气温;λ为导热系数;
2.2 温度应力的有限元计算公式
在计算了温度场的基础上,用此温度场计算温度荷载求解温度应力,先后求出结点位移,最后计算变温引起的温度应力[1]。
设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:
变温等效结点荷载为:
由温差等效结点荷载与位移的关系式:[K]e{δ}e={PT}e,[K]e为单元刚度矩阵,可求得节点位移{δ}e,则温度应力为:{δ}=[D][B]{δ}e-[D]{ε0} 其中: [B]为几何矩阵,[D]为弹性矩阵。
2.3 计算方法
本文利用APDL语言对ANSYS的二次开发功能,编写了用ANSYS模拟分析大坝温度的二次开发程序。在ANSYS中根据工程实际情况建立有限元模型,然后严格按照实际施工过程来仿真分析碾压混凝土拱坝的温度场与温度应力。由于碾压混凝土拱坝采用通仓薄层连续浇筑方式,这里利用ANSYS的单元生杀死技术,来模拟碾压混凝土坝体的一层一层浇筑。冷却水管看成热汇,相当于负的水化热,在平均意义上考虑水管的冷却效果,可以解决温度应力计算的问题。同时考虑随时间变化的各种因素,如温度场计算考虑了混凝土水化热温升、混凝土入仓温度、浇筑间歇、边界条件改变等因素,应力场计算考虑了坝体自重、水压力、温度荷载、徐变及混凝土弹性模量随龄期的变化、材料变化等因素。
3施工期温度场三维仿真分析
3.1 基本资料及参数
3.1.1 坝区气温及水温
根据木理县气象站1961-1990年资料统计,结果见表1。
3.1.2 水库水温分析
对于立洲水库库深205 m,库水温度除了按规范方法计算还参照类似的二滩工程实测水温作了分析对比,库底年平均水温根据坝区气温、水库深、水库特性及水库运行方式等多种因素类比同区域二滩水电站(坝高240 m,设计取9.2 ℃),取库底年平均水温为9.5 ℃。据分析立洲水电站水库年平均水温沿高程呈抛物线缓慢增加至2 090 m高程时达到15.5 ℃,月平均水温的分布整体沿高程呈抛物线缓慢增加。库底以9～10 ℃开始至坝顶8月份最高可达到21.5 ℃。
3.1.3 混凝土热学参数及绝热温升
大坝混凝土的导温、导热、比热、线膨胀系数试验结果见表2。绝热温升由于没有具体实验数据,故本文采用水化热估算得出。
3.2 大坝温度仿真有限元模型
3.2.1 有限元模型
计算中选取坝体与一定范围内的坝肩、坝基作为有限元计算模型:横河向从坝肩向左右岸山体延伸各300 m;顺河向以坝轴线为界上游取300 m,下游取350 m;铅直向至坝底向下取250 m。结构离散中坝体混凝土及坝基岩体采用8结点六面体等参单元(含少量退化单元),坝体采用每30 cm划分一层单元,坝体与地基连接处坝肩采用四面体单元过渡。整个计算域共剖分为105 583个单元,69 854个结点,其中,坝体共剖分31 100个单元,41 275个结点。计算坐标系X轴以上游指向下游为正,Y轴以右岸指向左岸为正,Z轴以铅直向上为正,整个坐标系符合右手螺旋规则。如图1,图2所示。
3.2.2 施工过程模拟
大坝主体采用通仓碾压,碾压层厚30 cm,连续上升1 m为一个浇筑层,每碾压1 m后根据施工的速度进行间歇,间歇时间为3～5 d,计算中将1～1.5 m作为一个浇筑层,施工期内计算步长取0.5 d。大坝混凝土施工进度计划安排及分层规划如表3所示。
3.3 温度场仿真分析
3.3.1 碾压混凝土拱坝温度控制标准
碾压混凝土坝应将内外温差作为主要控制温差[2]。根据已有工程温控防裂经验,拟定坝体内外温差不大于15 ℃, 12、1、2月份坝体内外温差定为18 ℃。
3.3.2 稳定温度场计算成果分析
坝体运行一段时间后,达到稳定温度场,为研究立洲拱坝的封拱温度,本文计算了稳定温度场。计算结果表明,坝体上游面稳定温度从库底到坝顶成逐渐增大趋势,变化范围在10～14 ℃。本文根据坝体稳定温度场计算结果和设计院提供的资料,给坝体拟定的封拱温度如表4所示。
3.3.3 有、无温控温度场计算成果对比分析
本工程温控措施为混凝土通水冷却,分为一期和二期进行。一期通水冷却的主要目的是削减浇筑层初期水化热温升,控制混凝土温度不超过设计允许范围;二期通水目的是使坝体混凝土温度达到设计要求的接缝灌浆温度。分期冷却有利于防止混凝土产生裂缝[3,4]。
本文分别计算了施工期有、无温控的温度场并附有典型图例(见图3),以便更直观的了解有温控措施对施工期温度的影响。其计算方法如前面所述,通过计算分析得到如下结论。
(1)无温控时,施工期坝体内部温度在水化热作用下产生温升,此温升在10 d之内达到最大值,此温升最大值一般在14 ℃左右,继后逐渐趋于稳定,但稳定值在23 ℃左右,远高于封拱温度;从图3可以看出坝体内部有2个高温区,分布在坝体的中下部和中上部,均在夏季施工,最高温度达到40 ℃左右,且坝体最高温值大部分区域都高于30 ℃,超过了温控的标准,需采取一定的温控措施。从坝体最高温沿高程变化趋势来看,主要受混凝土浇筑初温的影响。因此夏季施工的坝体部位,其最高温值最大;冬季施工的坝体部位,其最高温值最小;有温控时,在一期冷却水管作用下,混凝土最高温度从无温控时的40 ℃以上下降至30 ℃以下,达到温控标准;在二期冷却水管作用下,坝体温度降至封拱温度,表明设计温控措施合理、有效。
(2)有温控与无温控相比,冬季施工坝段最高温度相差7 ℃,与夏季施工坝段相比要小一些。在一期冷却水管的作用下使坝体的最高温度控制在了合理的范围之内。
(3)无温控时,各高程内外温差最大达20 ℃,坝体大部分内外最高温差都超过了温控标准所规定15 ℃,对温控防裂十分不利;有温控时,坝体内外温差值都在15 ℃以下,满足了温控标准避免了由于内外过大温差产生较大的温度应力,有效防止了温度裂缝的产生,为大坝的安全提供了有力的保证。
4施工期温度应力三维仿真分析
4.1 大坝温度应力分析有限元模型
4.1.1 混凝土与基体物理力学参数
(1)坝体混凝土:主要采用三级配C9025碾压混凝土,根据混凝土材料试验成果90 d抗压弹性模量为33.6 GPa,根据混凝土拱坝设计规范坝体持续弹性模量取试件弹性模量的0.65倍为22 GPa;线膨胀系数取10×10-6/℃,泊松比为0.167,密度为24 kN/m3。本文在计算中,采用复合指数式来模拟弹性模量随龄期的变化。复合指数式表达为:
式中:E0、a、b均为常数,其中本文取a=0.4,b=0.34。
(2)坝肩中上部基岩主要为二叠系卡翁沟组(PK)厚层块状灰岩,根据上坝址、厂址及隧洞区岩体物理力学参数建议值表,基岩泊松比0.23,结合坝基岩石风化情况各高程综合变形模量见表5,本文中计算的坝段地基的变形模量取12 GPa。
4.1.2 有限元模型
立洲碾压混凝土拱坝上共设置4条诱导缝,泄洪系统两侧各布置2条诱导缝,均为径向布置,为了提高计算效率,选取了中间两条诱导缝之间的坝段进行了温度应力的计算,建立有限元模型,整个计算域共剖分为8 720个单元,13 020个结点,其中,坝体共剖分8 000个单元,12 030个结点。计算坐标系X轴以右岸指向左岸为正,Y轴以上游指向下游为正, Z轴以铅直向上为正,整个坐标系符合右手螺旋规则,地基边界采用法向约束,坝体边界根据实际情况分析没有采取约束。
4.2 立洲碾压混凝土拱坝温度应力仿真分析
4.2.1 施工期无、有温控应力场计算成果对比分析
利用施工期温度场作为温度荷载,计算施工期的温度应力,由于坝体自重对减小温度拉应力是有利的,为更好的分析温度应力的作用,没有考虑自重荷载,计算方法如前面所述。通过计算得到如下结论。
(1)无温控条件下,顺河向温度拉应力主要发生在坝体表面和碾压层面。从最大应力包络图4来看,坝体表面最大温度应力发生在靠近坝体底部,与高温区相对应,最大拉应力值达到了2.5 MP,大于混凝土的允许拉应力值1.5 MP,会产生温度裂缝,需要采取相应的措施。
(2)有温控条件下(见图4),坝体温度应力变化和分布规律与无温控基本一致,顺河向温度拉应力也主要发生在坝体表面和碾压层面,但在量值上有了明显的减小,温度应力基本上小于允许拉应力值1.5 MP,但仍然有少数单元节点温度拉应力大于允许拉应力值1.5 MP。
(3)通过施工期有、无温控措施温度应力比较分析表明,有、无温控坝体大部分区域温度徐变应力和最大应力减小约50%。无温控条件下,少数单元节点的最大温度徐变应力超出了允许拉应力1.5 MP;有温控条件下,最大温度徐变应力大约为1.0 MP,小于允许拉应力值1.5 MP(见图5)。
5结语
本文采用瞬态与稳态有限元法,对立洲碾压混凝土拱坝施工期温度进行了较为系统的仿真模拟,获得了该工程施工期有、无温控措施的温度分布规律,提出了相应的温控措施和优化建议。
(1)系统用ANSYS软件模拟施工期温度应力、混凝土弹性模量与徐变度随龄期变化的表达式等。根据立洲拱坝碾压混凝土浇筑工序,对其施工过程有、无温控措施两种情况及运行期进行了全过程温度仿真模拟,获得了其相应的非稳定与稳定温度场,揭示了大坝施工期与运行期的温度变化规律。
(2)通过对典型坝段施工期有、无温控措施温度应力模拟,获得了该工程大坝施工期温度应力分布规律,为施工期温控防裂提供了有效的依据,论证了设计温控措施的合理性与科学性,提出了大坝封拱温度建议值及相应的温控措施等。
(3)本工程中混凝土通水冷却分二期进行。一期通水冷却的主要目的是削减浇筑层初期水化热温升,控制混凝土温度不超过设计允许范围;二期通水目的是使坝体混凝土温度达到设计要求的接缝灌浆的温度。分期冷却采用低温冷却水可有效降低混凝土最高温度,使混凝土的最终温度应力降低,所以分期冷却有利于防止混凝土产生裂缝,提高了拱坝的整体性和耐久性,对该工程后期施工具有一定的指导意义,同时本项目的施工期温度模拟方法和优化措施对类似工程具有一定的借鉴意义。
摘要：采用瞬态与稳态有限元法,对立洲碾压混凝土拱坝施工期温度进行了较为系统的仿真模拟,获得了该工程施工期有、无温控措施的温度场与应力分布规律,论证了设计温控措施的合理性与科学性。通过对稳定温度场的有限元模拟,还提出了大坝封拱温度建议值及相应的温控措施等。仿真结果对立洲碾压混凝土拱坝及同类型拱坝的温控设计具有参考价值。
关键词：温度,应力,三维有限元,仿真分析,碾压混凝土拱坝
参考文献
[1]朱伯芳,王同生,丁宝瑛,等.水工混凝土结构的温度应力与温度控制[M].北京:水利水电出版社,1976.
[2]张国新.碾压混凝土坝的温度控制[J].水利水电技术,2007,(6).
[3]叶国华.港工混凝土结构物的温度应力和温度裂缝的研究[J].水运工程,1996,(8):19-26.
[4]付海峰,李守义.碾压混凝土拱坝温控计算研究[J].水利与建筑工程学报,2009,(4).
[5]唐欣薇,李鹏辉,张楚汉.碾压混凝土坝温度场与应力场全过程仿真分析[J],长江科学院院报,2007,(3).
[6]王海青.碾压混凝土拱坝温度应力仿真分析[D].南京:河海大学,2006.
