混凝土损伤塑性模型在软基上船闸设计中的应用.pdf

第 l 3 卷第 3 期 2 0 1 5 年 6 月 南水北调与水利 科技 S o u t h - t o — N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e&T e c h n o l o g y Vo L1 3 No ． 3 J u n 2 0 1 5 D OI ： 1 0 ． 1 3 4 7 6 ／ j c n k i ． n s b d q k ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 3 6 混凝土损伤 塑性模型在 软基上船 闸设计 中的应用 苏 超 ， 刘崇巍 ， 邓西标 ， 李劲松 ( 1 ． 河海大学 水利水电学院， 南京 2 1 0 0 9 8 ； 2 ． 广西壮族 自治区水利水电勘察设计研究院， 南宁 5 8 0 0 0 0 ) 摘要： 利用有限元计算软件 AB A QUS ， 以某软基上的船闸闸首为基本计算结构， 建立了闸首一地基三维有限元模 型， 分析了在同一工况下弹性模型和弹塑性模型的应力分布规律， 求出了配筋模型中钢筋的拉应力， 并根据计算结 果及相关公式对配筋效果进行了检验。检验结果显示， 配筋设计符合安全要求。 关键词： 混凝土损伤塑性模型； 软基； 有限元计算 ； 钢筋应力； 配筋检验 中图分类 号 ： T V6 9 1 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 2 — 1 6 8 3 ( 2 0 1 5 ) 0 3 — 0 5 6 3 0 5 App l i c a t i o n o f c o n c r e t e da ma g e pl a s t i c i t y mo de l i n t he l o c k de s i g n o f s o f t f ou nd a t i o n S U Ch a o ， LI U Ch o n g - we i ， DE NG Xi - b i a o ， L I J i n - s o n g e ( 1 ． C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o p o we r E n g i n e e r i n g， Ho h a i U n i v e r s i t y， N口 n j i n g 2 1 0 0 9 8 C h i n a ； 2 ． Wa t e r C o n s e r ~n c y a n d Hy d r o p o v ． e r S u r v e y a nd D e s i g n I n s t i t u t e o f G u a n g x i Z h u a n g A u t ono m a u s R e g i o n， Na n n i n g 5 8 0 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t O t h e b a s i c c a l c u l a t i o n s t r u c t u r e o f a s h i p l o c k h e a d o n t h e s o f t f o u n d a t i o n， a t h r e e - d i me n s i o n a 1 f i n i t e e l e — me n t mo d e 1 o f l o c k h e a d a n d f o u n d a t i o n wa s d e v e l o p e d u s i n g f i n i t e e l e me n t ~h wa r e AB AQUS ． Th e s t r e s s d i s t r i b u t i o n s o f e l a s t i c mo d e l a n d e l a s t o p l a s t i c mo d e l u n d e r t h e s a me wo r k i n g c o n d i t i o n s we r e c a l c u l a t e d a n d a n a l y z e & Th e t e n s i l e s t r e s s o f t h e r e i n f o r c e d mo d e l wa s c a l c u l a t e d ． Fi n a 1 1 v ． t h e r e i n f o r c e me n t e f f e c t s we r e v e r i f i e d b a s e d o n t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a n d r e l e v a n t f o r mu l a ． Ke y w o r d s ： c o n c r e t e d a ma g e p l a s t i c i t y mo d e l ； s o f t f o u n d a t i o n f i n i t e e l e me n t c a l c u l a t i o n ； r e b a r s t r e s s ； r e i n f o r c e me n t v e r i f i c a t i o n 目前大部分的国内外学者对船闸进行有限元分析时， 只 是将船闸作为素} 昆 凝土结构进行弹性分析， 不考虑混凝土的 塑性变化 ， 而且在完成配筋计算后也很少对配筋效果进行检 验。但是在软基船闸的有限元分析中， 往往会出现结构拉应 力值远大于混凝土抗拉强度的情况 ， 因此仍将混凝土视为弹 性体就不能很好地反映船闸的实际受力情况。另外在配筋 时， 不论哪一种配筋方法 ， 都是根据特征截面的情况进行配 筋， 没能完全考虑结构的整体性， 所以配筋是否真的合理还 需检验。本文以某船闸工程为例， 利用 A B AQUS分别进行 弹性和弹塑性有限元分析计算， 并利用其可植入钢筋的功 能， 对配筋后的船闸再次进行塑性有限元计算分析， 以检验 配筋效果 。 l 混凝土塑性损伤模型计算原理 AB AQ US中提供了混凝土塑性损伤本构模型， 这种模 型是在线 弹性模 型 的基础 上增加 了不 可恢 复变 形影 响。其 应变由弹性应变与塑性应变两部分组成。 一 + ( 1 ) 式 中 ： 为弹性部分 ； 为 塑性部分 。 应力 一 应变损伤关 系为 ： = ( 1 --d) D ： ( e 一 ) = ／ Y ： ( ￡ 一 ) ( 2 ) 式中： D 为无损伤时的弹性刚度； ∥ 为有损伤的弹性刚度； d为损伤因子。从式( 2 ) 中可以看出是混凝土的失效导致了 弹性 刚度 的退化。 屈 服函数决定了失效与损伤 的状态 。 1 F( d ， 9一 ( q --3 a p +fl ( ) 一--r ( 一‰ ) 一 1 “ ( ) ≤o ( 3 ) 式中： a 、 r 分别为材料常数； P为有效静水压力； q为有效应 力； O " t 和 分别为有效张拉凝聚应力和压缩凝聚应力。 流动势决定了塑性流动 ， 其表达式如下： ： 2 ( 4 ) 式中： A为非负塑性因子。该模型定义了塑性势， 使用非关联 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 9 — 1 2 修回 日期 ： 2 0 1 4 — 1 1 - 0 3 网络出版 时间 ： 2 0 1 5 — 0 5 1 4 网络出版地址 ： h t t p ： ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 1 3 ． 1 3 3 4 ． TV． 2 0 1 5 0 5 1 4 ． 0 8 2 7 ． 0 0 1 ． h t ml 基金项 目： 2 0 1 4年江苏省普通 高校研究生科研实践计划项 目“ 软基上船 闸结构优化设计和质量通病防控 技术研究 ” ( 2 o 1 4 B 2 5 5 1 4 ) 作者简介 ： 苏超 ( 1 9 6 0 一 ) ， 男 ( 满族) ， 吉林梅河 E 1 人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事复杂水工结 构的数值分 析与优化设计研 究及混凝土温 控 防裂研究。E - ma i l ： C S U @ h h u ． e d u ． c n 。 通讯作者 ： 刘崇巍( 1 9 8 8 一 ) ， 男 ， 安徽人 ， 主要从事船闸水 闸数值仿真模拟 。E ma i l ： 1 1 9 4 2 1 1 9 8 0 @q q ． c o m * l “ 档 #* ‘ # ‘ p 水利管 理 5 6 3 苏 超等 混凝土损伤塑性模型在软基上船闸设计中的应用 c h a mb e r i n t h e l a r g e - s c a l e s e p a r a t e s h i p l o c k[ J ] ．S o u t h - t o — No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e 8 L Te c h n o l o g y ． 2 0 1 3 ( 5) ： 1 3 3 — 1 3 7 ． ( i n Ch i n e s e ) ) E 7 ] 丁 ， 杨斌． 船闸闸室结构三维有限元仿 真分析 E J ] ． 水 运工程 ， 2 01 0( 4 4 5) ： 1 0 5 — 1 0 9 ． ( BU Di n g， YANG Bi n ．Thr e e dime n s i o n a 1 f i n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n a n a l y s i s o f l o c k c h a mbe r s t r u c t u r e E J ] ． P o r t a n d Wa t e r wa y E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 0 ( 4 4 5 ) ： 1 0 5 — 1 0 9 ． ( i n Chi n e s e ) ) [ 8 ] 赵斌， 王志远， 王梅枝． 富春江船闸变形观测资料分析[ J ] ． 大坝 观测 与 土 工 测 试 ， 2 0 0 1( 5 ) ： 7 - l 1 ．( Z HAO B i n ， WANG Z h i - y u a n， W ANG M e i - z h i ．De f o r ma t io n d a t a a n a l ys i s f o r Fu c hu n — j i a n g n a v i g a t i o n l o c k[ J ] ．Da m o b s e r v a t i o n a n d g e o t e c h n i c a l t e s t s ， 2 0 0 1( 5) ： 7 - l 1 ． ( i n Ch i n e s e ) ) [ 9 ] 龙丽吉， 康海贵， 高鑫林． 有限元分析及应力配筋法在大型复杂 混合式船闸结构设计中的应用[ J ] ． 水运工程， 2 0 1 3 ， 4 8 2 ( 8 ) ： 1 4 1 — 1 4 6 ． ( L0NG ， KANG Ha i- g u i ， GA( )Xin - l i n ．Ap p l i c a t i o n o f f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d s t r e s s r e i n f o r c e me n t me t h o d f o r s t r u c - t u r a l d e s i g n o f l a r g e - s c a l e h y b r id s h i p l o c k [ J ] ． P o r t a n d Wa t e r w a y En g i n e e r i n g， 2 0 1 3 ， 4 8 2 ( 8 )： 1 41 — 1 4 6 ． ( in Chine s e ) ) [ 1 0 3 J T J 3 0 7 ～2 0 0 1 ， 船 闸水 工 设 计规 范 E s ] ． ( J TJ 3 0 7—2 0 0 1 ， C o d e f o r D e s i g n o f H y d r a u l i c S t r u c t u r e s o f S h i p l o c k s [ S ] ． ( i n Ch i n e s e ) ) ( 上接 第 5 0 5页) [ 1 1 ] S L 1 9 1 —2 0 0 8 ， 水 工 混凝 土 结 构设 计 规 范 [ s ] ．( s i 1 9 1 — 2 0 0 8， De s i g n S pe c i f i c a t i o n f o r Hy d r a u l i c Co n c r e t e S t r u c t ur e s r S 1 ． ( i n C h i n e s e ) ) [ 1 2 ] Co o k R n C o n c e p t s a n d a p p l i c a t i o n s o f f i n i t e e l e me n t [ M] ． J o h n Wi l e y& S o n s ， 2 0 0 7 ． [ 1 3 ] Sch u t t e r G n F i n i t e e l e me n t s imu l a t io n o f t h e r ma l c r a c k i n g i n ma s s i v e h a r d e n i n g c o n c r e t e e l e me n t u s i n g d e g r e e o f hy d r a t i o n b a s e d ma t e r i a l l a ws[ J ] ． C o mp u t e r a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 2 ， 8 0 ( 2 7 — 3 0) ： 2 0 35 — 2 0 4 2 ． [ 1 4 ] Ma t h e w s P M． Vi b r a t i o n s o f a b e a m o n e l a s t i c f o u n d a t i o n [ J ] ． Z AMM- J o u r n a l o f Ap p l i e d Ma t h e ma t i c s a n d Me c h a n i c s ／ Ze i t s e h r i f t f a r An g e wa n d t e M a t h e ma t i k u n d M e c h a n i k， 1 9 5 8， 3 8 ( 3 - 4 ) ： 1 0 5 — 1 1 5 ． [ 1 5 ] 姜弘道， 王国仪， 谈广鸣． 水工钢筋混凝土结构学[ M] ． 北京， 水利水电 出版社 ， 2 0 0 9 ： 1 9 3 — 2 2 6 ． ( J I ANG Ho n g - d a o ， WANG Gu tyy i 。TAN Gu a n g - mi n g ． Hy d r a u l i c r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s [ M] ． B e iJ i n g ， C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 0 9 ： 1 9 3 — 2 2 6 ． ( i n Ch i n e s e ) ) [ 1 6 ] 李社平， 赖红兰． 船闸设计要点分析口] ． 中国水运， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 2 2 — 2 3 ．( LI S h e - p i n， LAI Ho n g - l a n ． Th e k e y p o i n t a n a l y s i s o f l o c k [ J ] ． C h i n a Wa t e r T r a n s p o r t ， 2 0 1 1 ( 9 ) ： 2 2 — 2 3 ． ( i n C h i — n e s e ) ) [ 5 ] 钟恒文． 生污泥的 F e n t o n氧化处理[ J ] ． 中国给水排水 ， 2 0 0 3 ， 1 9 ( 8) ： 46 — 4 7 ．( Z H0NG He n g — we n ． s l u d ge o f Fe nt o n o xida t i o n t r e a t me n t [ J ] ． C h i n a Wa t e r &Wa s t e Wa t e r ， 2 0 0 3 ， 1 9 ( 8 ) ： 4 6 ～ 4 7 ． ( in Chi n e s e ) ) [ 6 ] 马俊伟， 刘杰伟， 曹芮， 等． F e n t o n试剂与C P A M联合调理对污 泥 脱水 效 果 的影 响 研究 [ J ] ． 环 境 科 学 ， 2 0 1 3 ， 3 4( 9 ) ： 3 5 3 8 — 3 5 4 3 ． ( MA J u n - we i ， L I U J i e - we i ， C AO Ru i ． S l u d g e De wa t e r — a b i l i t y wi t h c o mb i n e d c o nd i t i o ni n g us i n g f e n t o n s r e a g e n t a n d C P A M[ J ] ． E n v i r o n me n t a l Sci e n c e ， 2 0 1 3 ， 3 4 ( 9 ) ： 3 5 3 8 — 3 5 4 3 ． ( i n Ch i n e s e ) ) [ 7 ] 杨斌 ， 杨 家宽 ， 唐毅 ， 等． 粉煤 灰和生石 灰对生 活污水污 泥脱水 影响研究[ J ] ． 环境科学与技术， 2 0 0 7 ， 3 0 ( 4 ) ： 9 8 — 9 9 ． ( Y A N G B i n， YANG J i a — ku a n．TANG Yi ．Ef f e c t o f f l y a s h a n d q u i c k l i me o n s a n i t a r y s e wa g e [ J ] ． En v i r o n me n t a l S c i e n c e& Te e h n o l — o gy ， 2 0 07 ， 3 0( 4) ： 9 8 — 9 9 ． ( i n Ch i n e s e ) ) [ 8 ] J e n n i f e r I ， D a l t o n ， K e v i n H， G a r d n e r ， e t a 1 ． P r o p e r t i e s o f P o r t — l a n d c e me n t ma d e f r o m c o n t a mi n a t e d s e d i me n t s [ J ] ． R e s o u r c e s Co n s e r v a t i o n a n d Re c y c l i n g， 2 0 0 4， 41 ( 3 ) ： 2 2 7 — 2 4 1 ． [ 9 ] 谢敏， 施周， 李淑展． 污泥脱水性能参数一 比阻检测的若干问题 研讨[ J ] ． 环境科学与技术 ， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 3 ) ： 1 5 — 1 6 ． ( X I E Mi n， S HI Zh o u， LI Sh u - z h a m Sl u d g e d e wa t e r i n g p e r f or ma n c e pa r a me t e r s [ J ] ． E n v i r o n m e n t a l Sci e n c e 8 L T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 2 9 ( 3 ) ： 1 5 — 1 6 ． ( i n Ch i n e s e ) ) [ 1 O ] 王力． 利用磷石膏 ， 粉煤灰和电石渣固化城 市污水处理厂污泥 试验研究 [ D] ． 重庆 大学 ， 2 0 1 2 ． ( WAN G L i ． Sol i d i f i c a t i o n o f s l u d g e f r o m mu n i c i p a l wa s t e wa t e r t r e a t me nt p l a nt s wi t h p h o s — p h o g y p s u m， f l y a s h a n d c a r b i d e s l a g [ D ] ． C h o n g q i n g U n i v e r s i — t y， 2 01 2 ．( in Chi n e s e ) ) [ 1 1 ] G a u d y A F C o l o r i m e t r i c d e t e rmi n a t i o n o f p r o t e in a n d c a r b o — h y d r a t e [ J ] ． I n d u s t r i a l Wa t e r Wa s t e s ， 1 9 6 2 ， 7 ： 1 7 — 2 2 ． [ 1 2 ] 刘宏． C P A M 污泥脱水絮凝剂的制备， 性能及机理研究[ D ] ． 重庆大学 ， 2 0 0 7 ． ( L I U Ho n g ． S t u d y o n s y n t h e s i s a n d p r o p e r — t i e s a n d me c ha n i s m o f s l u d g e d e wa t e r i n g f l o c c ul a nt CP AM [ D] ． C h o n g q i n g Un iv e r s i t y， 2 0 0 7 ． ( i n Ch i n e s e ) ) [ 1 3 ] G a u d y A F ． Col o r i m e t r i c d e t e rmi n a t i o n o f p r o t e i n a n d c a r b o — h y d r a t e [ J ] ． I n d u s t r i a l Wa t e r Wa s t e s ， 1 9 6 2 ， 7 ： 1 7 — 2 2 ． [ 1 4 ] Qi a n J W， Xia n g x J ， Ya n g W Y， e t a 1 ． F l o c c u l a t i o n p e r f o r m— a n e e o f d i f f e r e n t p o l y a c r y l a mi d e a n d t h e r e l a t i o n be t we e n o p t i — ma l d o s e a n d c r i t i c a l c o n c e n t r a t i o n[ J ] ． E u r o p e a n p o l y m e r o u r n a l ， 2 0 0 4， 4 0 ( 8 )： 1 6 9 9 — 1 7 0 4 ． t * | u l 目 嘲 ∞ 口 水利 管理 5 6 7