苯板保温在混凝土衬砌渠道中的应用及数值模拟.pdf
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1、第 4 4卷 第 5期 2 0 1 3年 3 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 4 4, No 5 M a r , 2 01 3 文章编号 : 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 0 5 7 0 d 苯板保温在混凝土衬砌渠道中的应用及数值模拟 郭 睛 , 娄 宗 科 , 郭 启 胜2 ( 1 西北农林科技 大学 水 利与建 筑工程 学院, 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ; 2 内蒙古 自治 区水利水 电勘测设 计院, 内 蒙古 呼和 浩特 0 1 0 0 2 0 ) 摘要 : 目前聚苯 乙烯板 已作 为渠道衬砌保 温
2、材料( 苯板 ) 被 广泛使 用, 但在施 工时还 不能科 学地确 定渠道不 同 位置的苯板铺设厚度。针对在 内蒙古 河套地 区进 行 的渠道衬砌 防冻胀 现场试 验 , 采 用有 限元 分析软 件 A N S Y S分析 了不 同厚度 的保温板对 渠系建筑物 的温度场 、 位移场的影响 , 得到 渠道不 同位置处 的冻胀量 , 并将其 与 实测数据 比较 , 结果较 为一致。通过 综合分析 , 对重粉质壤 土渠道给 出了渠道 不同部位合理 的保 温板铺设 厚度 , 从 而为渠道保 温板施 工提供 了技 术支持 。 关键词 : 聚苯 乙烯保 温板 ; 温度场 ; 位 移场 ; 数值模拟 ;冻胀
3、 中图法分类号 : T V 4 1 文献标志码 : A 我 国北方 的几 大灌 区地 处 季 节 冻 土 区 , 大量 的渠 系水 工建 筑物 由 于基 土 冻 胀 问 题 而产 生 破 坏 。 目前 , 就我 国 四大灌 区之 一 的 内蒙 古 河 套 地 区 而言 , 一 些 地 段虽铺设 了聚苯乙烯保温板 , 但还不能 明确地确定不 同位置的铺设厚度 , 只是盲 目地使用 , 造成极 大 的浪 费。这主要是因为没有彻底搞清渠道冻融破坏的内在 原 因 , 不 能有效 地采 取 防冻胀 措施 , 只是 被 动地进行 防 护 。 对于渠道冻胀问题 的理论求解 , 有限差分法 和 有 限元法 是
4、 普 遍 采 用 的 两 种 数 值 计 算 方 法 。在 渠 道冻 胀研 究领 域 , 有 限差 分法 局 限于规则 的网格划 分 , 对单 元本 身特 性不 予考 虑 , 因 而使 其 应 用 受 到相 应 限 制 , 目前主要用于一维问题的求解 , 对边界条件复杂的 渠道冻胀问题仍然难 以计算。有限元法克服了有限差 分法的缺点, 能够灵活地考虑各种边界条件 , 在计算渠 道冻 胀 问题 方 面显 示 出极 大 的优 越性 , 因此本 文 在 渠 道冻 胀 问题 的计算 中采用 了这 一方 法 。 1 工程 应用实例 及分析 1 1 工 程概 况 内蒙古河套灌区西济支渠位于黄河河套沉积平原
5、 区, 地势南高北低 , 地面高程在 1 0 3 7 41 0 3 4 4 m之 间, 地面坡降为 1 3 0 0 0 1 4 0 0 0, 土地较平整 。西 济支渠梯形渠道的混凝土衬砌断面及其冻土实测数据 分 别见 图 1和表 1 。 图 1 西济支 渠衬砌 渠道试 验段 断面 ( 尺寸单位 : m m) 收稿 日期 : 2 0 1 2 0 81 7 基金项 目: “ 十二五” 农村领域 国家科技计划项 目( 2 0 1 1 B A D 2 5 B 0 4 ) ; “ 十二五” 科技 支撑 计划课题 ( 2 0 1 2 B A D 0 8 B 0 1 ) 作者简介 : 郭 婧 , 女 , 硕
6、 士研 究生, 主要从事水工结构数值模拟研 究。E ma i l : j i n g g u o l 0 t 5 1 2 6 e o m 通讯作者 : 娄 宗科 , 男, 教授 , 硕士生导师 , 主要从 事水工结构设计理论 、 水工材料耐久性与建筑物健康诊 断及修复技 术、 渠道 防 渗抗 冻胀技 术等 方面的研 究。Em a i l : s l x l z k 1 6 3 c o m 58 1 2有 限元分析 1 2 1 参数选取 通 过对西 济支 渠 渠道 土 质 、 气 候 以及 梯 形 渠 道冻 胀机理的综合分析 , 渠床土质类型为重粉质壤土 , 由参 考 文献 4 确定 以下 参数
7、 。 表 1 原 型渠道冻胀情况 温 度场计 算仅 与导 热 系数 A有 关 , 取 基 土冻 结 时 导 热 系数 A :1 8 3 7 3 W ( m ) 。进行 热力耦 合计 算时 , 视冻胀系数为负线膨胀系数 , 鉴于渠床土为重粉 质 壤 土 , 冻结 温 度接 近 0 , 故 采 用 0 为基 准 。 由于 实测参 数有 限 , 不考虑 纵横 向的差 异 , 取 冻土统 一冻 胀 系数 为 r l T, 其 中 为 冻胀 率 , 为 温 度 , 参 考 表 1 , 阴 、 阳坡及 渠底 分别取 9 1 、 1 1 7 和 2 1 8 。基 土 弹性模 量及 泊松 比按参 考 文献 5
8、 选 取 。其他 材 料 力 学参 数如表 2所示 。 表 2材料力学参数 根据国标 G B 1 0 8 0 1 8 9和 S L 1 82 0 0 6 ( 渠道防渗 工程技术规范 中对衬砌渠道使 用保 温板 的要求 , 试 验采用的聚苯乙烯保温板的密度为 2 0 k g m , 聚苯 乙 烯保 温板 的力学 性能见 表 3 。 表 3 聚苯 乙烯保温板物理力学性能 1 2 2 温度场边界条件 根据 原型 渠道 的基 本 情 况 , 本文 选 取 有 限元 模 型 以冻 深 为边界 : 即 阴坡 边 界 法 向深 1 0 0 c m, 渠 顶 取 距 衬砌 板 2 0 0 c m 宽 ; 渠底
9、 距 衬砌 板 由 1 0 0 c m 过渡 到 8 0 c m; 阳坡 边 界法 向深 8 0 c m, 渠 顶 取 距 衬 砌 板 2 0 0 c m 宽 。温 度场计 算 中 , 上 边 界温 度 取灌 区最 冷 月 平 均气 温 一8 3 j , 其 中 阴坡 取 一8 , 渠 底 取 一7 ; 阳坡 取 一 6 , 下边界 取 2 , 左 右边 界近似 为绝 热 。 1 2 3 应 力场边界条件 约束条件为冻土两侧竖直段受水平 向约束 ( = 0 ) , 下边界除两侧水平段受竖直 Y向约束 (U =0 ) 外, 其余均受 和 Y双向约束 (U = 0 , U =0 ) ; 模型 上边
10、界 自由冻胀不 受约束 。 1 2 4 模 型建立及分析 首先根据实例的基本情况建立实体模 型, 再 由热 传导方程选定 p l a n e 5 5单元 , 定义材料属性 即把实例 的参数 输入 , 之后进 行 网格划分 , 然后 把两个 边界 条件 加载进 去求解 。 根据 实际测 量 , 渠道 顶 部水 平 部 分 在 1 5 m 的 范 围内都 会对 渠道 基土 温度 场 产 生 影 响 , 因此 在 建立 有 保温措 施 的模 型 时 都 在 渠 道 水 平 部 分 延 伸 1 5 0 C I n 。 不 同保 温措 施苯 板厚度见 表 4 。 表 4不 同保 温 措 施 的 c n
11、l 模型 酉 _ 渠底 2 6 4 5 3 8 5 4 4 6 4 4 5 8 4 4 6 8 4 3 7 1 0 4 3 8 8 3 4 渠 底 2 计算机模拟 结果与分析 2 1温 度 场 分 析 由图 2和 图 3对 比分 析 可知 , 有 保 温层 与无 保 温 层 两种情 况 的渠 基 土温度场 分布截 然不 同 。无 保温 层 的温度分 布较均 匀 , 加入 聚 苯 乙烯 保 温 板作 为 保 温 措 施后 , 温度场分布发生了显著变化, 零温线 明显上抬 。 说明加入的保温材料阻断了大量冷空气 的进入, 提高 了地 基温 度场 , 使 基 土冻 结 时 间推 迟 或 基 土不 发
12、 生 冻 结 , 对衬砌 的防冻胀产 生 了明显作 用 。 2 2 位 移 分 析 从 图 4可 以看 出 , 渠 道 衬 砌 变位 值 较 大 的部 位 出 现 在渠道 底部 和阴 坡 , 阴坡 、 渠底 、 阳坡 的 最 大冻 胀 量 分别 为 1 0 3 2 4 , 1 4 1 7 0 , 8 9 0 6 m m, 这 与表 l中实测 值 基 本吻合 , 最 大误 差 为 1 6 , 说 明应 用 A N S Y S软件 能 较 为准确 地模 拟梯 形渠 道 的 冻胀 , 计 算 结 果基 本 满 足 精 度要求 。 图 5为 不 同苯 板厚 度 下 , 渠道 阴坡 、 渠底 、 阳坡
13、的 冻胀量分布。从图 5可 以看出 , 在水平方 向上铺设保 温板亦可以影响渠道的保温效果 。随着渠道上保温板 厚度 的增加 , 冻胀量 不 断 减小 , 但 是 幅度 越来 越 小 , 因 此选择 最经 济合理 的苯板 厚度对 于 降低渠道 衬砌施 工 成本将起 到关 键作 用 。根 据 水工 建 筑 物抗 冰冻 设 计规范 ( S L 2 1 1 2 0 0 6 ) 规定, 混凝土梯形断面衬砌渠 道 的允许 法 向位移 值为 51 0 mm, 因此最终 决定 在 阴 人 民 长 江 2 0l 3年 App l i c a t i o n a nd n u m e r i c a l s i
14、 m u l a t i o n o f po l y s t r e n e i n s u l a t i o n bo a r d i n c o nc r e t e l i n i n g c a na l G U O J i n g ,L O U Z o n g k e ,G U O Q i s h e n g ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g,No r t h we s t A&F Un i v e r s i
15、 t y,Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0,C h i n a; 2 I n n e r Mo n g o l i a Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e ,Ho h h o t 0 1 0 0 2 0,C h i n a) Abs t r a c t: At p r e s e nt ,p o l y s t y r e n e b o a r d h a s be e n wi d e l y us e d a
16、 s i n s u l a t i o n ma t e r i a l i n c a n a l l i ni n g c o ns t r uc t i o n,y e t i t i s h a r d t o s c i e n t i f i c a l l y d e fin e t he t hi c k ne s s o f po l y s t y r e ne b oa r d i n d i f f e r e n t p o s i t i o ns o f a c a n a 1 Ba s e d o n t h e s i t e t e s t r e s e
17、 a r c h o f a n t if r o s t h e a v i n g i n He t a o I r r i g a t i o n Ar e a o f I n n e r Mo ng o l i a,we ut i l i z e t he ANS YS t o a n a l y z e t h e i n flue n c e o f v a r i o us i n s u l a t i o n b o a r d t hi c k n e s s e s o n e a n a l g t e mp e r a t u r e a n d d i s p l
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