渡槽運行期溫度應力耦合探討范文

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《江西水利科技》2017年第4期

摘要:渡槽在運行期由于外界環境變化會引起渡槽內部的溫度應力變化．新疆克孜河渡槽位于新疆南部地區，日照時間長且日照充足，渡槽水多為融雪水溫度較低這樣造成了渡槽內外溫度梯度較大，運行期環境變化較大，溫度應力問題是其較為重要的問題之一．本文通過三維有限元軟件建立克孜河渡槽三維模型，模擬渡槽運行期溫度、應力分布規律，最終達到在渡槽運行期間有效防裂的目的，為今后渡槽設計提供設計參考．

關鍵詞:克孜河;渡槽工程;溫度應力;耦合分析

0引言

新疆克孜河渡槽由施工期到運行期，主要承擔著自重、預應力、水荷載、槽面活荷載、溫度荷載、地震荷載和風荷載等作用［1－3］。夏季山區主要是融雪性補水，水庫水溫常年處在10℃左右［4］，夏季水溫相對環境溫度較低，冬季水溫較環境溫度較高，這樣就造成運行期渡槽槽身溫度梯度過大，為確保渡槽運行期結構安全，有必要展開施運行期全過程數值分析［5－8］。本次數值模擬主要側重渡槽槽身在運行期溫度應力耦合情況，提出方案降低渡槽槽身溫度梯度，達到減低槽身應力要求，確保在運行期時渡槽不會受到溫度破壞［9］。

1工程概況

克孜河南岸干渠跨克孜河渡槽工程位于新疆疏附縣克孜河南岸干渠，南岸干渠引水流量Q設=87m3/s，Q加大=100m3/s，渡槽主要由進、出口漸變段、槽身段、渡槽下部結構、渡槽基礎等建筑物組成，根據地形、結構跨躍能力、過水能力需求，槽身段初步設計為22跨簡支渡槽，每跨長度為30m，總長660m，共兩孔，縱坡1/550，設計流量水深2．47m，加大流量水深2．63m。

2幾何及有限元模型

單孔尺寸為5．5m×3．5m(寬×高)，矩形斷面，槽身采用全封閉結構，底板下部設置橫向底梁，頂板下部橫向設置底梁，兩側墻外側設置肋板，對支座處進行了模擬鉸接處理，其中一端一側支座沿三向固定，另兩側沿順槽向及橫槽向均可移動，槽截面示意圖以及單跨渡槽槽身橫剖面見圖1。計算模擬取一跨進行建模研究，有限元分析模型見圖2所示，采用六面體實體單元，單元共有30860個，節點共有41814個。

3熱傳導方程

對混凝土溫度應力分析，首先研究混凝土內部溫度場。混凝土溫度場受多種因素影響，涉及混凝土內部熱量產生、傳導、邊界條件和初始條件等需建立熱傳導方程，然后求得溫度場。混凝土的溫度場是一種非穩定的溫度場，目前應用的最多求解方法的是有限單元法［10］。聯立固體中熱傳導微分方程和混凝土在硬化期間，由于水化熱而發出熱量的混凝土內熱源方程可得混凝土在實際工作條件下的熱傳導微分方程為［11］：式中:ρd為混凝土密度，kg/m3;θ(τ)為絕熱溫升;a=λcρ，m2/h;τ為混凝土齡期，h。

4材料及其熱特性

值熱傳導微分方程建立了物體的溫度與時間、空間的關系(其為變量關系)，為了定解溫度場函數T，必須考慮兩類邊值條件:初始條件(又稱時間邊值條件)，初始瞬時物體內部的溫度分布，由于太陽輻射情況下溫度場最為復雜，在夏季無云少風的高溫天氣，槽內水溫、氣溫及槽內混凝土溫度比較接近，因此在計算時取初始邊界條件為第一類邊界條件［12］。

5計算工況

根據渡槽運行期共設置了兩種工況進行渡槽溫度應力耦合分析。

6計算成果

6．1工況

1運行期未采取保溫措施由于該工程的渡槽位于新疆南部地區日照時間長且日照充足，渡槽水多為融雪水溫度較低這樣造成了渡槽內外溫度梯度較大，該工況對于運行期起來說比較危險，所以很有必要進行溫度應力耦合計算。通過對渡槽外表面與內表面設置運行期相對應的第一類與第二類溫度邊界，計算結構溫度場耦合結構應力場，可得渡槽向陽側腹板和背陰側腹板由內、外的溫度、應力時程曲線圖。(1)由于混凝土溫度由外向內傳遞具有一定的時間效應，圖中靠近內表面點溫度峰值及溫度低谷均滯后于靠外側表面點。(2)由圖4可知，渡槽向陽側外表面溫度隨太陽輻射增強而升高，白天溫度由外表面向內表面依次降低。由于渡槽向陽側腹板外表面最高溫度達到53．3℃，而內表面水面以下始終保持水溫10℃，在太陽輻射較強時形成較大內外溫差。這樣造成渡槽向陽處最大拉應力為6．64MPa大于C50抗拉強度2．64MPa的區域，可以看出在渡槽內壁以及外側腹板與頂板交接處拉應力超過抗拉強度。(3)背陰側腹板受太陽輻射較少，溫度相對向陽側腹板較低，最高溫度為38．6℃，其分布規律同向陽側腹板，即溫度由外表面向內表面依次降低。

6．2工況

2運行期采取保溫措施運行期若不采取保溫措施，渡槽內壁以及外側腹板與頂板交接處拉應力超過抗拉強度;根據現場施工條件以及長期運行穩定性方面考慮，采取外貼一層10cm厚的苯板進行保溫，計算可得出渡槽向陽側腹板和背陰側腹板由內向外的溫度時程曲線如圖5。當采取保溫措施后，渡槽內外拉應力明顯降低，且除在支座的局部區域外，其余區域拉應力均小于C50混凝土抗拉強度2．64Mpa。

7結論

本文通過三維有限元軟件建立克孜河渡槽模型，對渡槽運行期溫度、應力耦合分布規律進行分析，得出以下結論:(1)運行期渡槽受氣溫、太陽輻射等影響，向陽側腹板外表面與渡槽底板，以及內表面溫度，形成較大的溫度梯度，使得在渡槽內壁產生較大溫度應力。在夜晚降溫時，渡槽外表面溫度較快降為環境溫度，而在腹板與頂板及底板相交的混凝土體積較大區域，其內部溫度由于白天太陽輻射的高溫尚未降下來，導致內部溫度高于外表面溫度，從而在這些區域的外表面也產生較大的拉應力。所以需要在渡槽外壁采取保溫措施。(2)計算結果表明，根據現場施工條件以及長期運行穩定性方面考慮，渡槽外側面采取外貼一層10cm厚的苯板進行保溫，避免渡槽槽內低溫運行時強光照射產生的溫度應力，槽身拉應力超限問題基本得以解決。

參考文獻:

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作者：潘崇仁 單位：水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院