0 引言
光伏电站的光伏桩在冬季会发生不同程度的结冰情况，对混凝土桩产生不同天然水域中的冰是水温、气象、地貌条件的综合作用的结果，我国东北地区每年都会受不同程度的影响，所以需要对冰的影响有更深入的研究。由于外部温度的升高，冰层遵循热胀冷缩的原理，进而体积会发生膨胀，由此产生的静冰压力会对混凝土桩产生较大的影响,本文对季冻区混凝土桩-冰仿真模型进行受力分析计算研究。
1 冰与混凝土桩相互作用有限元计算模型
1.1 计算模型的基本假定
模拟计算外界温度，升高后冰层对桩产生的静冰压力。进行建模分析之前，对实际情况作如下的假定：
（1）假设冰层是连续体，忽略冰层中气泡，裂缝等对静冰压力的影响，冰层的重力与冰下水面提供的浮力相抵消。
（2）冰层与桩的接触形式：由于冰与混凝土之间不能传递拉力，两者只能传递压力。因此对冰层与混凝土的接触部位采用接触单元来处理，建立接触对，采用主-从(Master-Slave)接触算法。
（3）设冰层内初始应力较小，即认为计算初始时冰层中无初始应力。
（4）冰层上表面与下表面温度相差不多，因此假定冰层上下温度变化一致。
1.2 几何模型及材料参数选择
桩采用C80高强混凝土，桩长10m，桩径分别为0.3m，0.6m，0.8m进行模拟；冰层长和宽为10m×10m，厚度为1m，模型构造如图1所示。
图1 冰-混凝土桩模型结构
(1)混凝土材料
混凝土材料选择混凝土塑形损伤本构模型，是常用的本构模型，可以很好的模拟混凝土材料，并使模型更容易收敛。混凝土材料参数见表1。
表1 混凝土材料参数
(2)冰层材料
参考相关研究的成果，冰的材料参数见表2。
表2 冰材料参数
1.3 边界条件及荷载
如图2所示，将桩顶端视为自由端，忽略土体对混凝土桩的影响，桩底部视为固定约束。冰层的压力可分解为x，y两个方向，此时可将垂直于冰四周方向进行约束，即分别为x，y方向进行约束，冰层底部对z方向进行约束。
对冰层设置预定义温度场，初始温度为-30℃，随着时间线性升温到-10℃，由于热胀冷缩冰层会对桩产生挤压应力，因此需要研究温升冰膨胀对桩的挤压应力等影响。
图2 模型边界条件设置
2 计算结果分析
2.1 不同桩径的挤压应力分析
如图3所示，分别为不同桩径沿着接触段的冰压应力，从图中可看出，每种桩径，从冰层底部到冰层上部，冰层压应力变化不是很大，且桩径0.3m的混凝土桩所受的y方向压应力最大，桩径0.6m混凝土桩所受y方向压应力次之，桩径0.8m的混凝土桩所受的y方向压应力最小。因此得出混凝土桩桩径不同，y方向压应力也有所差距，混凝土桩桩径越大，所受y方向压应力越小，反之，混凝土桩桩径越小，所受y方向压应力越大。
图3 不同桩径y方向压应力
2.2 不同桩径位移分析
如图4所示，分别为不同桩径沿着接触段产生的位移，从图中可知，从冰层底部至冰层最上部这一区段，桩的位移呈线性增长趋势，冰层底部桩与冰层接触的部分，产生的位移最小，冰层最上部与桩的接触部分，产生的位移最大。不同桩径产生的位移也有所不同，桩径为0.3m的混凝土桩产生的位移最小，桩径0.6m的混凝土桩产生的位移比0.3m桩径的大，桩径为0.8m的混凝土桩产生的位移最大，由此可知，混凝土桩的桩径越大，由于冰层膨胀产生的位移越大，反之，桩径越小，由于冰层膨胀产生的位移越小。
图4 不同桩径冰与桩接触段产生的位移
3 不同强度混凝土的有限元分析
如图5可知，三种不同强度下冰层对桩产生的y方向压应力一样，且产生的最大的压应力为0.68MPa，根据混凝土强度等级可知C30混凝土立方体抗压强度标准值fcuk =30MPa，C40混凝土立方体抗压强度标准值fcuk =40MPa，C50混凝土立方体抗压强度标准值fcuk =50MPa，混凝土抗压强度标准值远远大于冰层对桩产生的压应力，因此桩并不会挤压破坏。
图5 三种强度混凝土y方向压应力
从应变的角度分析，混凝土极限压应变随混凝土强度等级的提高而降低，因为强度越高混凝土的弹性模量越大，应力应变的比值越大，即强度越高，混凝土越脆，因此应变越小。一般情况下，混凝土的极限压应变C30混凝土桩产生的应变为εu=0.0033，峰值应力对应压应变ε0=0.0020。不同强度混凝土桩产生的应变如表3，C30混凝土桩产生的应变为14E-6，C40混凝土桩产生的应变为12E-6，C50混凝土桩产生的应变为8E-6，均小于极限压应变，可知桩没有发生破坏。
表3 混凝土强度与应变关系
综上所述，冰层对桩产生的膨胀压力远远小于混凝土的强度，且桩的应变也远远小于极限压应变，桩并不会发生挤压破坏。因此混凝土的强度可在允许的范围内选择强度等级小一些的，比较经济适用，节省成本。
4 结论
（1）本文考虑了只有冰没有土的影响情况下，混凝土桩的直径越大，冰层对桩的挤压应力越小，因此在实际工程中为了安全可靠，可在允许范围内适当提高桩径。
（2）由于冰层对桩不产生挤压破坏，使桩产生的变形极小，可选择混凝土强度较低的混凝土桩，从而降低成本造价。
（3）冰-桩-土结构中，混凝土桩的直径越大，下压沉降量越小，竖向承载力越高；并且上部的冰还会使其产生向上的位移，桩径越大，冰使桩向上位移越多，从而下压沉降量抵消的越多，导致沉降量越小，因此在有冰的情况下，桩径越大，桩的承载力越高，在实际工程中可在允许范围内适当提高桩径。
参考文献：
[1]何涛 ，柴金义，张宏. 3基于 ANSYS对冻融冰水界面静冰压力作用下钢筋混凝土桥墩破坏的分析[J]内蒙古大学学报（自然版）2015（4）：442-447
[2]路钦年，汤爱平，钟南萍.河冰对桥墩作业的冰荷载计算方法[I]-河冰的力学性能试验[J].自然灾害学报2002（02）：75-79
[3]刘波.冰层热应力非线性有限元分析[D]天津大学，2004