潘 崇 仁

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

克孜河渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力耦合分析

潘 崇 仁

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

渡槽在運(yùn)行期時(shí)水泥水化熱已經(jīng)基本消失，結(jié)構(gòu)處于較穩(wěn)定溫度狀態(tài)，由于外界氣溫變化會(huì)引起渡槽內(nèi)部的溫度應(yīng)力變化，同時(shí)在日照、環(huán)境溫度變化和驟然降溫時(shí)會(huì)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差與溫度應(yīng)力變化。為了有效防止渡槽在運(yùn)行期混凝土槽身開(kāi)裂，造成不必要的損失，通過(guò)三維有限元軟件建立克孜河渡槽三維模型，模擬渡槽運(yùn)行期溫度、應(yīng)力分布規(guī)律。結(jié)果表明：運(yùn)行期溫度應(yīng)力較大，通過(guò)在渡槽外壁采取保溫措施，有效的改善了槽身的應(yīng)力狀態(tài)，可為今后渡槽設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

克孜河；渡槽工程 ；運(yùn)行期；溫度應(yīng)力；耦合分析

新疆克孜河渡槽由施工期到運(yùn)行期，主要承擔(dān)著自重、預(yù)應(yīng)力、水荷載、槽面活荷載、溫度荷載、地震荷載和風(fēng)荷載等作用[1-3]。夏季山區(qū)主要是融雪性補(bǔ)水，水庫(kù)水溫常年處在10℃左右[4]，夏季水溫相對(duì)環(huán)境溫度較低，冬季水溫較環(huán)境溫度較高，這樣就造成運(yùn)行期渡槽槽身溫度梯度過(guò)大，為確保渡槽運(yùn)行期結(jié)構(gòu)安全，有必要展開(kāi)施運(yùn)行期全過(guò)程數(shù)值分析[5-8]，本次數(shù)值模擬主要側(cè)重渡槽槽身在運(yùn)行期溫度應(yīng)力耦合情況，最終提出方案降低渡槽槽身溫度梯度，依次達(dá)到減低槽身應(yīng)力要求，確保在運(yùn)行期時(shí)渡槽不會(huì)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(shè)=87 m3/s，Q加大=100 m3/s，渡槽主要由進(jìn)、出口漸變段、槽身段、渡槽下部結(jié)構(gòu)、渡槽基礎(chǔ)等建筑物組成，根據(jù)地形、結(jié)構(gòu)跨躍能力、過(guò)水能力需求，槽身段初步設(shè)計(jì)為22跨簡(jiǎn)支渡槽，每跨長(zhǎng)度為30 m，總長(zhǎng)660 m，共兩孔，縱坡1/550，設(shè)計(jì)流量水深2.47 m，加大流量水深2.63 m。

2 幾何及網(wǎng)格模型

單孔尺寸為5.5 m×3.5 m(寬×高)，矩形斷面，槽身采用全封閉結(jié)構(gòu)，底板下部設(shè)置橫向底梁，頂板下部橫向設(shè)置底梁，兩側(cè)墻外側(cè)設(shè)置肋板，對(duì)支座處進(jìn)行了模擬鉸接處理，其中一端一側(cè)支座沿三向固定，另兩側(cè)沿順槽向及橫槽向均可移動(dòng)，槽截面示意圖以及單跨渡槽槽身橫剖面見(jiàn)圖1。

圖1渡槽截面示意圖

3 計(jì)算模型及假定

渡槽槽身總長(zhǎng)660 m，為22跨30 m簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，每跨混凝土516 m3，取一跨建模研究，有限元分析模型網(wǎng)格剖見(jiàn)圖2，采用六面體實(shí)體單元，單元共有30 860個(gè)，節(jié)點(diǎn)共有41 814個(gè)。

圖2渡槽模型(單跨)網(wǎng)格剖分圖以及內(nèi)、外表面特征點(diǎn)M1—M6點(diǎn)位置示意圖

4 熱傳導(dǎo)方程

混凝土溫度應(yīng)力分析，首先研究混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)?；炷翜囟葓?chǎng)受多種因素影響，涉及混凝土內(nèi)部熱量產(chǎn)生、傳導(dǎo)、邊界條件和初始條件等需建立熱傳導(dǎo)方程，然后求得溫度場(chǎng)?；炷恋臏囟葓?chǎng)是一種非穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，目前應(yīng)用的最多求解方法的是有限單元法[10]。

聯(lián)立固體中熱傳導(dǎo)微分方程和混凝土在硬化期間由于水化熱而發(fā)出熱量的混凝土內(nèi)熱源方程可得混凝土在實(shí)際工作條件下的熱傳導(dǎo)微分方程為[11]：

(1)

5 材料及其熱特性值

熱傳導(dǎo)微分方程建立了物體的溫度與時(shí)間、空間的關(guān)系(其為變量關(guān)系)，為了定解溫度場(chǎng)函數(shù)T，必須考慮兩類邊值條件：初始條件(又稱時(shí)間邊值條件)，初始瞬時(shí)物體內(nèi)部的溫度分布，由于太陽(yáng)輻射情況下溫度場(chǎng)最為復(fù)雜，在夏季無(wú)云少風(fēng)的高溫天氣，槽內(nèi)水溫、氣溫及槽內(nèi)混凝土溫度比較接近，因此在計(jì)算時(shí)取初始邊界條件為第一類邊界條件[12]。

第二類邊界條件(又稱為空間邊值條件)[12]，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，槽內(nèi)與水接觸的面上取水溫(即10℃)，槽內(nèi)不與水接觸的面取高于水溫5℃(即15℃)。環(huán)境溫度考慮以上太陽(yáng)輻射因素，并根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料選取，具體見(jiàn)圖3。混凝土表面與周圍介質(zhì)之間熱交換作用，絕熱溫升數(shù)值模型取雙曲線函數(shù)見(jiàn)公式(2)[13-15]：

F(τ)=K(1-e-αt)

(2)

K為最大絕熱溫升為62℃；α絕熱溫升變化系數(shù)為1.179。

圖3考慮太陽(yáng)輻射影響時(shí)渡槽各部位環(huán)境溫度時(shí)程曲線

根據(jù)規(guī)范得到渡槽混凝土標(biāo)號(hào)C50的彈性模量以及泊松比，通過(guò)試驗(yàn)得到渡槽導(dǎo)熱系數(shù)以及比熱，材料熱特性值見(jiàn)表1。

表1 材料熱特性值

6 計(jì)算工況

根據(jù)渡槽運(yùn)行期共設(shè)置了兩種工況進(jìn)行渡槽溫度應(yīng)力耦合分析。(1) 工況1：考慮運(yùn)行期太陽(yáng)輻射造成的溫差；(2) 工況2：太陽(yáng)輻射+保溫措施。

7 計(jì)算成果

7.1 工況1運(yùn)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(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)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(nèi)外溫度梯度較大，該工況對(duì)于運(yùn)行期來(lái)說(shuō)也是比較危險(xiǎn)，所以很有必要進(jìn)行溫度應(yīng)力耦合計(jì)算。通過(guò)對(duì)渡槽外表面與內(nèi)表面設(shè)置運(yùn)行期相對(duì)應(yīng)的第一類與第二類溫度邊界，計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)，可得渡槽向陽(yáng)側(cè)腹板和背陰側(cè)腹板由內(nèi)、外的溫度、應(yīng)力時(shí)程曲線圖見(jiàn)圖4。

圖4運(yùn)行期不加措施渡槽向陽(yáng)、背陰側(cè)腹板M1—M6點(diǎn)溫度、應(yīng)力時(shí)程曲線圖

工況1分析結(jié)果表明：

(1) 由于混凝土溫度由外向內(nèi)傳遞具有一定的時(shí)間效應(yīng)，圖中靠近內(nèi)表面點(diǎn)溫度峰值及溫度低谷均滯后于靠外側(cè)表面點(diǎn)。

(2) 渡槽向陽(yáng)側(cè)外表面溫度隨太陽(yáng)輻射增強(qiáng)而升高，白天溫度由外表面向內(nèi)表面依次降低。由于渡槽向陽(yáng)側(cè)腹板外表面最高溫度達(dá)到53.3℃，而內(nèi)表面水面以下始終保持水溫10℃，在太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)形成較大內(nèi)外溫差。這樣造成渡槽向陽(yáng)處最大拉應(yīng)力為6.64 MPa大于C50抗拉強(qiáng)度2.64 MPa的區(qū)域，可以看出在渡槽內(nèi)壁以及外側(cè)腹板與頂板交接處拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度。

(3) 背陰側(cè)腹板受太陽(yáng)輻射較少，溫度相對(duì)向陽(yáng)側(cè)腹板較低，最高溫度為38.6℃，其分布規(guī)律同向陽(yáng)側(cè)腹板，即溫度由外表面向內(nèi)表面依次降低。

7.2 工況2運(yùn)行期采取保溫措施

運(yùn)行期不采用保溫措施，渡槽內(nèi)壁以及外側(cè)腹板與頂板交接處拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件以及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性方面考慮，采取外貼一層10 cm厚的苯板進(jìn)行保溫，計(jì)算可得出渡槽向陽(yáng)側(cè)腹板和背陰側(cè)腹板由內(nèi)向外的溫度時(shí)程曲線見(jiàn)圖5。

圖5運(yùn)行期加措施后渡槽向陽(yáng)、背陰側(cè)腹板M1—M6溫度、應(yīng)力時(shí)程曲線圖

由圖5可看出當(dāng)采取保溫措施后，渡槽內(nèi)外拉應(yīng)力明顯降低，且除在支座的局部區(qū)域外，其余區(qū)域拉應(yīng)力均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度2.64 MPa。

8 結(jié) 論

(1) 運(yùn)行期渡槽受氣溫、太陽(yáng)輻射等影響，向陽(yáng)側(cè)腹板外表面與渡槽底板，以及內(nèi)表面溫度，形成較大的溫度梯度，使得在渡槽內(nèi)壁產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力。而在夜晚降溫時(shí)，渡槽外表面溫度較快降為環(huán)境溫度，而在腹板與頂板及底板相交的混凝土體積較大區(qū)域，其內(nèi)部溫度由于白天太陽(yáng)輻射的高溫尚未降下來(lái)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度高于外表面溫度，從而在這些區(qū)域的外表面也產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。所以需要在渡槽外壁采取保溫措施。

(2) 計(jì)算結(jié)果表明，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件以及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性方面考慮，渡槽外側(cè)面采取外貼一層10 cm厚的苯板進(jìn)行保溫，避免渡槽槽內(nèi)低溫運(yùn)行時(shí)強(qiáng)光照射產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，槽身拉應(yīng)力超限問(wèn)題基本得以解決。

(3) 通過(guò)三維有限元軟件建立克孜河渡槽模型，模擬對(duì)渡槽運(yùn)行期溫度、應(yīng)力耦合分布規(guī)律，最終達(dá)到在渡槽運(yùn)行期間有效防裂的目的，可為今后渡槽提設(shè)計(jì)供依據(jù)。

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CouplingAnalysisofAqueductTemperatureStressinOperationPeriodofKeziRiver

PAN Chongren

(XinjiangSurveyandDesignInstituteforWaterResourcesandHydropower,Urumqi,Xinjiang830000,China)

During the operation, the cement hydration heat usually have disappeared, thus the structure is in stable state, however the outside temperature changes will cause the aqueduct internal temperature stress changes, also the sunshine, environmental temperature changes and sudden cooling could cause the same problem. In order to prevent the concrete trough from cracking during the operation, three dimensional model of Ke river aqueduct is developed by adopting three-dimensional finite element software, and the temperature and stress distribution during the operation period and operation period of aqueduct are simulated. The results show that the temperature stress in the operation period is larger, and the stress state of the groove body can be effectively improved by adopting the heat preservation measures on the outer wall of the aqueduct. This research could provide design basis for the aqueduct design in the future.

Keziriver;aqueductengineering;operationperiod;thermalstress;couplinganalysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.042

2017-05-15

2017-06-21

潘崇仁(1983—)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：316660431 @qq.com

TV672+.3

A

1672—1144(2017)05—0224—04