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

技术特征：
1.一种考虑湿热力条件下水利工程结构的应力分析计算方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤一中，根据傅里叶定律，热传导方程表示为：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；lv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。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，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。4.根据权利要求2所述的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，其特征在于，所述热传导方程中，混凝土材料的有效热容计算公式为：(ρc
p
)
eff
＝ρ
s
c
p，s
w
c
c
p，w
其中，(ρc
p
)
eff
为混凝土的有效热熔；w
c
为混凝土的含水量；c
p，s
表示干燥混凝土的恒压热容；c
p，w
表示水的比热容。5.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤一中，根据fick第二定律，混凝土水分扩散方程表示为：混凝土水分扩散方程表示为：混凝土水分扩散方程表示为：其中，φ为混凝土的相对湿度；w
c
为混凝土的含水量；d
w
为混凝土的扩散系数；g为湿源；p
sat
为混凝土的饱和蒸汽压；将混凝土的相对湿度，转化为混凝土的内部含水量：
式中，w
uni
是表示吸附于水化产物表面的单一水分子层的质量；c是热性能参数；q、p、m表示方程系数。6.根据权利要求5所述的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，其特征在于，所述混凝土水分扩散方程中，扩散系数计算公式为：d
w
(φ，t)＝d0·
f3(φ)
·
f4(t)其中，d0为饱和混凝土的湿度扩散系数；f3(φ)表示相对湿度对扩散系数影响的函数；f4(t)表示的是温度对扩散系数影响的函数；φ为混凝土的相对湿度，φ
c
为混凝土的初始相对湿度；n表示湿度非线性扩散方程的回归系数；a0为经验系数；q为20℃水的蒸发焓；t为气体常数；t0表示混凝土的初始温度；t表示混凝土当前温度。7.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤二中，混凝土热传导的边界条件分为以下三类：(1)已知边界温度函数，公式表示为：t(t)|
γ
＝f(t)式中，f(t)为已知的温度函数；γ物体的边界；(2)已知边界热流密度函数，公式表示为：式中，k为导热系数；n为混凝土材料表面的法线方向；q(t)为已知的热流密度函数；(3)已知边界热交换定律，公式表示为：式中，h为换热系数；t
γ
(t)为混凝土材料表面的温度；t
a
(t)为环境温度。8.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤二中，混凝土湿度扩散边界条件，表达式为：φ(t)|
γ
＝φ(t)式中，φ(t)为已知的环境相对湿度函数；γ为混凝土的边界；d
w
为扩散系数；n为混凝土表面的法线方向；β
p
表示水分迁移系数；φ
γ
(t)表示混凝土表面的相对湿度；φ
amb
(t)为环境相对湿度。9.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤三中，混凝土材料的弹性本构方程表示为：
式中，e0为混凝土初始的弹性模量；μ为泊松比；σ
x
、σ
y
、σ
z
、τ
xy
、τ
yz
和τ
zz
为应力；ε
x
、ε
y
、ε
z
、γ
xy
、γ
yz
和γ
zx
为应变；ε
th
为混凝土的温度应变；ε
hs
为混凝土的湿度应变；e(w，t)为由于湿度和温度影响之后混凝土的弹性模量；混凝土温度应变ε
th
可以表示为：ε
th
＝α(t-t
ref
)式中，α为线膨胀系数；t
ref
为混凝土初始温度；混凝土湿度应变ε
hs
表现为：ε
hs
＝β
h
(w
c-w
ref
)式中，β
h
为湿胀系数；w
ref
为混凝土初始的含水量；w
c
为混凝土内部含水量；混凝土的弹性模量e(w，t)是温度和相对湿度的函数：e(w，t)＝e0·
f5(w)
·
f6(t)其中，f5(w)表示的是湿度对混凝土弹性模量的影响函数；f6(t)表示的是温度对混凝土弹性的影响函数；其中f5(w)＝24.31 130wf6(t)＝1-0.00094t 20℃＜t＜800℃w＝w
c
(φ)/ρ
s
其中w为混凝土的含水率，w
c
为混凝土的含水量，ρ
s
为混凝土的密度。10.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述步骤四中，在comsol multiphysiscs软件中对温度场、湿度场、应力场进行耦合分析后得到应力应变分布。

技术总结
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。施工和维护提供参考。施工和维护提供参考。


技术研发人员：吕从聪 徐谋 卢晓春 程波 王宇 陈铝 胡颖 魏俊腾
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2022.08.06
技术公布日：2022/12/12