[发明专利]一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法

说明书

本发明提供一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法，包括如下步骤：步骤一、确定热传导方程和水分扩散方程，建立混凝土湿热耦合传输数学模型；步骤二、考虑自然环境下热传导、相对湿度扩散的边界条件；步骤三、确定湿热变形的混凝土弹性本构方程；步骤四、确定水利工程结构的几何参数以及边界条件，根据步骤一~三的结果进行耦合分析后得到应力分布。利用该方法可以掌握在不同环境下水利工程结构内部应力情况以及变化规律，为今后水利工程结构的设计、施工和维护提供参考。

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法。

背景技术

水利工程结构中包含大量水工建筑物，比如大坝、堰、水渠以及渡槽结构。渡槽是跨山地、河谷、道路等的输水建筑物，被广泛应用于农业灌溉工程和其他输水工程中，在我国的水利工程中发挥着重要的作用。渡槽结构外边面置于复杂的自然环境中，在太阳辐射、日温变化、年温变化、以及寒流等多种因素影响下，渡槽结构的外表面温度随时都在变化，而渡槽内部流动的是水体，渡槽结构的内表面因与流动水体相接触而保持相对稳定。在不断变化的外表面和相对稳定的内表面作用下，渡槽内部各点的温度都在不断变化，渡槽内部逐渐形成不均匀温度分布。

另外，渡槽结构与水接触面积大，输水过程具有间断性和水位变化等特点，渡槽内部湿度也呈非均匀变化。渡槽结构内部湿热场的不均匀分布，进而引起不同的湿热变形，渡槽的内力和变形发生变化，使渡槽的表面产生拉应力并可能导致裂缝，对渡槽等薄壁结构危害极大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法，利用该方法可以掌握在不同环境下水利工程结构内部应力情况以及变化规律，为今后水利工程结构的设计、施工和维护提供参考。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法，包括如下步骤：

步骤一、确定热传导方程和水分扩散方程，建立混凝土湿热耦合传输数学模型；

步骤二、考虑自然环境下热传导、相对湿度扩散的边界条件；

步骤三、确定湿热变形的混凝土弹性本构方程；

步骤四、确定水利工程结构的几何参数以及边界条件，根据步骤一～三的结果进行耦合分析后得到应力应变分布。

优选的方案中，所述步骤一中，根据傅里叶定律，热传导方程表示为：

其中，(ρC_P)_eff为混凝土的有效热容；T为混凝土的温度；为温度梯度；t为时间；Q为热源；k_eff为混凝土的有效导热系数；L_V为混凝土的蒸发潜热；δ_p为混凝土的蒸汽渗透性；φ为混凝土的相对湿度；p_sat为混凝土的饱和蒸汽压。

优选的方案中，所述热传导方程中，有效导热系数k_eff计算公式为：

k_eff(T，φ)＝k₀·F₁(T)·F₂(φ)

其中，k₀为混凝土参考导热系数；F₁(T)表示温度对有效导热系数影响的函数，F₂(φ)表示相对湿度对有效导热系数影响的函数；

F₁(T)＝1-a(T-T_ref)

a表示的是温度附加系数；T表示的是混凝土温度；T_ref为混凝土的初始温度；

w_c表示混凝土的内部含水量；b为湿度附加系数；ρ_s表示混凝土的密度。