混凝土损伤塑性模型在软基上船闸设计中的应用

摘要：利用有限元计算软件ABAQUS，以某软基上的船闸闸首为基本计算结构，建立了闸首-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：TV691 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2015）03-0563-05

Abstract：According to the basic calculation structure of a ship lock head on the soft foundation，a three-dimensional finite element model of lock head and foundation was developed using finite element software ABAQUS.The stress distributions of elastic model and elastoplastic model under the same working conditions were calculated and analyzed.The tensile stress of the reinforced model was calculated.Finally，the reinforcement effects were verified based on the calculation results and relevant formula.

Key words：concrete damage plasticity model；soft foundation；finite element calculation；rebar stress；reinforcement verification

目前大部分的国内外学者对船闸进行有限元分析时，只是将船闸作为素混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ABAQUS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。

1 混凝土塑性损伤模型计算原理

ABAQUS中提供了混凝土塑性损伤本构模型，[HJ]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。

闸首模型采用混凝土塑性损伤模型进行计算，见图3，闸首-地基模型的坐标原点定于零高程处，X轴垂直于水流方向指向左岸，Y轴顺水流方向指向下游，Z轴竖直向上。考虑上闸首结构的形态、所受荷载情况及地基状况，地基模型的高度为上闸首高度的3倍，宽度亦为上闸首模型的3倍。闸首-地基模型采用C3D8单元和C3D6单元进行划分，划分结果见图4。船闸混凝土大部分为C30混凝土，其弹性模量为2.65 GPa，泊松比为0.2。参考ABAQUS用户手册案例中提供的数据，确定了C30混凝土压缩和拉伸时应力和损伤因子随非弹性应变变化关系，其具体关系见表1和表2[4]。

3 有限元计算结果及对比

3.1 有限元计算结果

由于运行期（上闸门关）工况为最不利工况，所以采用此工况进行计算对比。

在弹性模型中，闸首结构在顺水流方向位移较小；横河向位移由低到高逐渐增大，最大值出现在闸首结构顶层；因该地基为软基，所以竖向[HJ1.85mm]位移较大，竖向位移整体呈反拱形，底板中轴线为船闸竖向位移的最小处，其值为-48.77 mm，最大值位于边墩与回填土接触处，[HJ1.99mm]其值为-67.50 mm。图6、图7为运行期（上闸门关）工况下，结构的主拉应力、主压应力云图。在该工况下，底板上表面，廊道进、出水口处均处于受拉状态，结构其余部分则处于受压状态。在闸首切角变形处底部，产生了局部拉应力集中，最大值为5.13 MPa。底板上表面拉应力值较大，均超过了2.00 MPa，底板上表面及门槛处的拉应力超过了混凝土的抗拉强度设计值，应对其进行配筋设计。该工作状况下，量值较大的主压应力分布的范围较大，主要分布在边墩底板下表面[HJ]的中间，主压应力最大值出现在下游底板下表面中间部位，其值为2.27 MPa，该值小于混凝土的抗压强度设计值。闸首位移和应力规律与整体结构的拱形变形趋势相吻合[5-8]。

在弹塑性模型中，位移变化趋势与弹性模型相同，底板中轴线为船闸竖向位移的最小处，其值为-48.37 mm，最大值位于边墙与回填土接触处，其值为-67.91 mm。图9-图11为运行期（上闸门关）工况下，结构的主拉应力、主压应力、塑性区分布云图。在该工况下，底板上表面，廊道入水口，廊道出水口处处于受拉状态，结构其余部分处于受压状态，其中底板的上表面拉应力的量值较大，拉应力的最大值出现在上闸首下游的门槛处，其值为1.77 MPa。量值较大的主压应力分布的范围较大，主要分布在边墩底板下表面的中间，主压应力最大值出[JP+2]现在下游底板下表面中间部位，其值为

3.2 两种有限元计算结果的对比

通过比较两种计算模型的计算结果可以看出，在位移方面二者相差不大，而在应力方面却有较大的差距，如表3、表4所示。引起这种情况的主要原因是，位移主要是由地基决定的，两次计算地基没有变化，所以位移变化不大；而弹塑性计算中当混凝土进入塑性变形后就产生了应力重分布现象，这使得结构应力，特别是拉应力值大大降低。由于混凝土会发生塑性变形，而在弹性计算中混凝土的拉应力值已远超过其抗拉强度值，所以考虑混凝土的塑性变化很有必要，其计算结果也更合理。

4 船闸配筋及配筋效果检验

目前主要有两种配筋方法，一种是结构力学配筋法，另一种是应力配筋法。本文按应力配筋法利用自编软件进行配筋计算，计算结果见表5。

由于配筋计算是以素混凝土结构计算结果为依据得出的，所以配筋结果是否真的合理还需检验。为了检验配筋效果，利用ABAQUS提供的植入钢筋的功能对配筋后的闸首进行弹塑线性有限元分析，其中钢筋的模拟采用了桁架单元，结果见图12。

5 结语

在软基船闸有限元分析中，弹性计算得到的结果中拉应力往往大于混凝土的抗拉极限值，这说明混凝土会进入塑性状态，所以若在计算中能够考虑混凝土的塑性变化，则将会得到更合理的计算结果。利用ABAQUS中的塑性损伤本构模型以及植入钢筋的功能，对配筋后的船闸进行计算分析，并且通过对比配筋前后的塑性区范围及计算裂缝宽度，能够对配筋是否合理进行评价，这种方法对类似工程有一定参考价值。

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