隧道開孔襯砌溫度應(yīng)力有限元分析

陸澤西

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司 四川成都）

隧道開孔襯砌溫度應(yīng)力有限元分析

陸澤西

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司 四川成都）

本文通過對隧道不同開孔孔徑襯砌進(jìn)行溫度場數(shù)值模擬分析，得到了不同孔徑情況下溫度場的分布規(guī)律。同時通過對襯砌溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，得出了溫度應(yīng)力對襯砌的最不利影響區(qū)域。所得結(jié)論可為大斷面隧道設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

溫度場；溫度應(yīng)力；有限元分析；開孔襯砌

1 引言

大體積混凝土襯砌結(jié)構(gòu)由于水化熱引起內(nèi)外表面溫度差異導(dǎo)致產(chǎn)生溫度應(yīng)力?；炷羶?nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力（混凝土抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于壓應(yīng)力），混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。這種溫度裂縫的走向無一定規(guī)律，大面積結(jié)構(gòu)裂縫通常縱橫交錯，溫度變形是混凝土早期開裂的主要原因之一，往往是貫穿性的有害裂縫，對結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、整體性、耐久性甚至承載能力十分不利。

本文以熱傳導(dǎo)理論為基礎(chǔ)，利用ANSYS10.0有限元分析程序，在分析大體積混凝土水化熱溫度場溫度應(yīng)力的理論基礎(chǔ)上，對不同孔徑開孔襯砌隧道進(jìn)行分析，研究溫度應(yīng)力對大體積混凝土襯砌安全耐久性的影響。

2 基本理論

2.1 熱傳導(dǎo)方程

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場可以由熱傳導(dǎo)基本方程求解。對于均勻各向同性的具有內(nèi)熱源的混凝土來說，其熱傳導(dǎo)方程為[1]：

式中：T——溫度，℃；

a——導(dǎo)溫系數(shù)，a=λ/cρ，m2/h；

ρ——容重， kg/ m3；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)， /( ) kJ m? h?℃ ；

θ——混凝土絕熱溫升，℃

2.2 溫度場應(yīng)力

對于澆筑在基巖上的混凝土塊來說，其應(yīng)變可以分為兩部分，一部分是應(yīng)力引起的，另一部分是溫度變化引起的，兩部分疊加后得到總應(yīng)變：

式中：E、v——混凝土的彈性模量和泊松比

混凝土的彈性模量E隨著澆筑的齡期不斷變化的，尤其在前期，彈性模量E變化比較劇烈。因此，必須采用增量法，將時間劃分為若干時間段，在每一時段內(nèi)，取該時段內(nèi)的平均值則每一段內(nèi)的應(yīng)力增量為

混凝土內(nèi)某一瞬間的應(yīng)力應(yīng)該為該瞬間為止的應(yīng)力增量的總和。

3 有限元分析

3.1 幾何模型

模型采用三維模擬，襯砌結(jié)構(gòu)寬16.4m、高13.5m，襯砌厚度h為1.8m?？锥葱问綖檠匾r砌中心線處開21個圓形孔洞，孔徑分別為20cm和50cm。每個孔洞中心間距為1.2m。采用實體單元，以更加真實的模擬實際工程的結(jié)構(gòu)受力特征。

大氣溫度為20℃，且不考慮大氣溫度隨時間的變化；內(nèi)熱源為混凝土的凝膠材料水泥產(chǎn)生，加載到襯砌中心點(diǎn)上，參考溫度設(shè)置為 0℃，隧道襯砌采用 C30混凝土。

接觸邊界條件：襯砌與地基土之間的接觸采用地基彈簧來模擬，忽略基巖與襯砌之間的摩擦作用。

表1 熱分析模擬參數(shù)

由隧道襯砌溫度場云圖及隧道襯砌拱頂?shù)幕炷链睃c(diǎn)的溫度變化曲線可以看出，開孔襯砌的溫度場明顯好于實心襯砌，襯砌開孔后，加速了襯砌內(nèi)部與周邊環(huán)境的熱量對流交換，降低了襯砌最高溫度。且開孔孔徑越大，其水化熱溫度下降越多。最大溫度均出現(xiàn)在厚度最大的墻腳處，都在89℃左右，這里易形成積熱點(diǎn)，熱量難于散去。因此建議，澆筑施工時在墻腳埋設(shè)管冷卻水管，澆筑后進(jìn)行通冷卻水循環(huán)作業(yè)，這樣達(dá)到降溫的效果。

開孔襯砌能顯著降低大體積混凝土溫度場的最高溫，且孔徑越大其最高溫度降低的越多。開孔達(dá)到50cm時，現(xiàn)場實測拱頂最高溫度可降低14.86%。

結(jié)果表明，對大斷面隧道而言開孔能有效的較低水泥的水化熱，較低襯砌的溫度應(yīng)力，有利于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.2 溫度應(yīng)力計算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬計算，得出各型襯砌在溫度應(yīng)力作用下的拉應(yīng)力區(qū)如圖1-3所示：

圖1 實心襯砌第28天應(yīng)力（Pa）

圖2 20cm孔徑襯砌第28天應(yīng)力（Pa）

圖3 50cm孔徑襯砌第28天 應(yīng)力（Pa）

表3 襯砌各齡期拱頂內(nèi)邊緣拉應(yīng)力值

在澆筑混凝土之后，由于混凝土水化熱作用，混凝土襯砌內(nèi)部升溫膨脹，由于襯砌內(nèi)外表面的溫度差，襯砌內(nèi)部受壓，襯砌外部受拉。開孔后，襯砌中心溫度的最大值會不斷降低，這樣襯砌內(nèi)外表面的溫差也會減少，使得襯砌由于溫度變形產(chǎn)生的溫度應(yīng)力減小，即襯砌拉應(yīng)力也相應(yīng)的減小，且開孔孔徑越大，其下降百分比越大。故對于降低襯砌混凝土溫度場和由此產(chǎn)生的拉應(yīng)力來說，大空心率開孔襯砌明顯優(yōu)于小空心率開孔襯砌，開孔襯砌明顯優(yōu)于實心襯砌。

4 結(jié)論

1開孔襯砌能顯著降低大體積混凝土溫度場的最高溫，且孔徑越大其最高溫度降低的越多。

2厚度最大的墻腳處易出現(xiàn)最高溫，這里易形成積熱點(diǎn)，熱量難于散去。因此建議，澆筑施工時在墻腳埋設(shè)管冷卻水管，澆筑后進(jìn)行通冷卻水循環(huán)作業(yè)，這樣達(dá)到降溫的效果。

3襯砌開孔后，襯砌中心溫度的最大值會不斷降低，這樣襯砌內(nèi)外表面的溫差也會減少，使得襯砌由于溫度變形產(chǎn)生的溫度應(yīng)力減小，即襯砌拉應(yīng)力也相應(yīng)的減小，且開孔孔徑越大，其下降百分比越大。50cm孔徑拱頂內(nèi)邊緣拉應(yīng)力相較于實心襯砌下降了30.3%。

[1]何立民.大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制研究.大慶石油學(xué)院碩士學(xué)位論文.2008，06.

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1007-6344（2016）03-0087-02

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