羅 濤，郝明輝，，晏小峰，謝紅強

(1.四川省水利水電勘測設計研究院有限公司，成都，610071；2.四川大學水利水電學院，成都，610065)

0 引言

我國水土資源時空分布差別很大，為緩解各地用水緊張局面實施了以南水北調(diào)、引江濟淮等為代表的多項大型引調(diào)水工程[1]。隨著引調(diào)水工程規(guī)模的逐漸增大，渡槽的過水斷面、跨度、高度等結(jié)構(gòu)尺寸也隨之增大，大跨度U形預應力薄壁渡槽因其截面經(jīng)濟在調(diào)水工程中廣泛應用[1-2]。

在混凝土結(jié)構(gòu)工程中，可能由于各種原因出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，而水工建筑物存在結(jié)構(gòu)體積大，受環(huán)境影響，熱傳導性差的特點[3]，故溫度應力在水工建筑物裂縫產(chǎn)生中起重要作用。渡槽溫度場特點為內(nèi)壁與動水接觸，外壁受大氣溫度、日照等因素影響[4]，其溫度荷載較為復雜。朱文婷等[5]對南水北調(diào)中線一期干線工程湍河渡槽原型的溫度應力進行了觀測，發(fā)現(xiàn)當日變化溫度為10℃時，渡槽表面的環(huán)向應力變化幅值約為0.8MPa，縱向應力變化幅值約為1.0MPa；陳守開等[6]對南水北調(diào)中線總干渠上渡槽進行了三維有限元分析，也發(fā)現(xiàn)在晝夜溫差作用下薄壁混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力的波動范圍可達0.3MPa～1.9MPa；馮曉波等[7]對渡槽溫度應力進行了計算，發(fā)現(xiàn)槽身在夏季、冬季工況下的最大主應力分別為1.46MPa、1.24MPa。綜上，渡槽運行期的溫度應力可能會超過混凝土抗拉強度，必須對其進行計算復核并采取相應的預防措施。

本文以亭子口灌區(qū)工程預應力U形薄殼渡槽為研究對象，重點研究了夏季輸水內(nèi)外溫差以及遭遇寒潮工況下槽身的溫度場、應力場以及變形，并基于計算結(jié)果探討了溫度作用下槽殼抗裂措施，并對后續(xù)研究趨勢和方向進行了展望，以期為后續(xù)工程的設計提供參考。

1 亭子口灌區(qū)U形預應力薄殼渡槽

1.1 工程概況

亭子口灌區(qū)工程設計灌溉面積24.76萬hm2，并為灌區(qū)內(nèi)91個鄉(xiāng)鎮(zhèn)(包括4座縣城)的生活和工業(yè)用水提供水源保障。其一期工程總干渠上共布置有22座渡槽，渡槽設計流量76.2m3/s～41.2m3/s，初步設計擬采用U形預應力薄殼渡槽，建筑物級別為2級。

1.2 溫度邊界條件

自然環(huán)境中的渡槽溫度場非常復雜，主要受太陽輻射和季節(jié)變化的影響[8]。渡槽溫度場的影響因素如圖1所示。水邊界的溫度可根據(jù)水庫條件以及渠首取水方式確定。大氣邊界則受到地理位置、太陽輻射、大氣對流以及季節(jié)變化等多種因素的影響，難以精確地描述[9]。工程設計的任務是根據(jù)實測資料和理論對渡槽溫度邊界做合理推算，重點是確定極限邊界條件，故在渡槽設計過程中并未糾結(jié)于大氣邊界的精細模擬，而是采用較為簡單的公式對其進行估算。

圖1 渡槽溫度場的影響因素示意

1.2.1 水溫邊界

亭子口水利樞紐灌區(qū)取水口如圖2所示。庫水水溫結(jié)構(gòu)為過渡型，4月至9月期間水庫出現(xiàn)穩(wěn)定的溫度分層現(xiàn)象，溫躍層深度與厚度的變化較大；10月至次年3月，水庫上下層水溫基本一致。根據(jù)環(huán)評報告，與天然水溫相比，左岸灌溉取水口豐水年最大溫降2.1℃，平水年最大溫降1.8℃，枯水年最大溫降0.4℃。分層取水后，與天然水溫相比，左岸灌溉取水口豐水年最大溫降1.8℃，平水年最大溫降1.6℃，枯水年最大溫降0.4℃。考慮到壩址區(qū)多年平均氣溫16.6℃，多年平均水溫15.5℃[10]，因此，決定將夏季槽內(nèi)水溫與氣溫最大溫差確定為3.2℃，冬季水溫氣溫一致。

圖2 亭子口灌區(qū)一期工程取水口

1.2.2 氣溫邊界

根據(jù)亭子口灌區(qū)內(nèi)主要氣象代表站實測資料統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)多年平均氣溫15.6℃～17.6℃，最冷為1月，平均氣溫5.1℃～6.8℃，極端最低氣溫-3.6℃～-2.2℃，最熱7-8月，平均氣溫25.5℃～27.4℃，極端最高氣溫36.8℃～42.7℃。參照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)，亭子口灌區(qū)渡槽結(jié)構(gòu)整體溫度降低標準確定為6.8℃，整體溫度升高最大值確定為6.4℃。寒潮指日平均氣溫在數(shù)日內(nèi)急劇下降的現(xiàn)象，南方采用的寒潮標準是：24h降溫8℃以上，或48h降溫10℃以上，同時最低溫度低于5℃。根據(jù)亭子口灌區(qū)取水和運行方式，遭遇寒潮時假設槽內(nèi)水溫不變，外壁溫降為8℃。

1.2.3 日照引起的槽身表面溫度增量

渡槽混凝土表面吸收的熱量部分來源于太陽輻射，從而導致槽身混凝土表面溫度將高于氣溫[8]。根據(jù)文獻[8]，當混凝土與空氣接觸時，屬于第三類邊界條件，各月因日照引起的氣溫增高值如表1所示。

表1 灌區(qū)晴天太陽輻射熱S0及氣溫增高ΔT的月平均值

1.2.4 渡槽溫度作用邊界條件

考慮到亭子口采用分層取水方案，夏季輸水時槽內(nèi)水與氣溫最大溫差為3.2℃，因日照引起的槽身外壁最大溫升陽面為9.2℃，陰面為4.6℃，在這種情況下，槽內(nèi)外溫差為陽面12.4℃，陰面7.8℃。冬季寒潮期輸水工況，渡槽屬于薄殼結(jié)構(gòu)且取表層水時，冬季槽內(nèi)水溫與氣溫基本一致，在遭遇寒潮時，考慮外壁降低8℃。

1.3 有限元分析模型

選取亭子口灌區(qū)一期工程桐子壩渡槽42m跨度槽身開展溫度應力、變形分析，其槽身橫截面為U型截面，槽身總高度6.37m，壁厚0.35m，圓弧段內(nèi)壁半徑為3.55m，直壁段高1.97m；槽身底部混凝土加厚區(qū)厚0.8m，加厚區(qū)側(cè)壁與水平面呈52°。圖3為計算有限元模型，模型共98454個單元，109046個節(jié)點，混凝土材料用solid45單元模擬，預應力鋼絞線用link8單元模擬。

(a)槽身整體模型

根據(jù)渡槽設計方案，槽身支座兩端施加位移約束。對于內(nèi)外溫差工況，將槽內(nèi)壁過水斷面表面節(jié)點溫度設為水溫，環(huán)境溫度及槽身外表面節(jié)點溫度設置為氣溫，模擬夏季高氣溫與槽內(nèi)低溫水體同時作用的溫度荷載條件。計算過程中，不考慮槽內(nèi)水體與空氣的熱對流，僅研究水體與鋼筋混凝土槽身溫度差引發(fā)的溫度應力分布規(guī)律。

1.4 分析參數(shù)

桐子壩渡槽槽身材料采用C50混凝土和極限強度標準值1860MPa的鋼絞線，其計算參數(shù)取值見表2。

表2 結(jié)構(gòu)材料計算參數(shù)

2 梯度溫差作用下渡槽有限元分析

2.1 日照溫差對槽身結(jié)構(gòu)的影響

按照第1節(jié)的邊界條件分析，夏季輸水時槽內(nèi)水與氣溫最大溫差為3.2℃，因日照引起的槽身外壁最大溫升陽面為9.2℃，陰面為4.6℃，在這種情況下槽內(nèi)外溫差為陽面12.4℃，陰面7.8℃。將槽內(nèi)壁過水斷面表面節(jié)點溫度設為水溫，環(huán)境溫度及槽身陽面、陰面節(jié)點溫度設置為對應的溫度，形成對應的內(nèi)外溫差。

2.1.1 日照變形分析

圖4為渡槽在日照作用下的變形云圖，其中展示一側(cè)為日照陽面?？梢娫谌照兆饔孟?，渡槽橫槽向變形呈現(xiàn)槽壁向外擴張、槽身伸長，且日照陽面伸長更加顯著的特點，其橫槽向最大位移1.011mm，出現(xiàn)于槽身日照陽面頂部；渡槽順槽向變形呈現(xiàn)槽身整體沿上下游方向伸長，日照陽面伸長更加顯著的特點，其順槽向最大位移1.654mm，出現(xiàn)于槽身日照陽面上下游兩端；渡槽高程向變形呈現(xiàn)槽身高程整體升高，中截面陰面升高更加顯著的特點，其高程向最大位移1.332mm，出現(xiàn)于渡槽中截面陰面頂部。

(a)橫槽x向

2.1.2 日照應力分析

圖5為日照作用下渡槽跨中截面各應力云圖(拉正壓負)，其中右側(cè)為日照陽面。可見在日照作用下，槽身第一主應力極值為3.22MPa，出現(xiàn)于槽身日照陽面內(nèi)壁，槽身內(nèi)壁均處于受拉狀態(tài)；橫槽x方向拉應力極值為1.67MPa出現(xiàn)于槽身日照陽面內(nèi)壁，橫槽x方向壓應力極值1.43MPa，出現(xiàn)于拉應力極值的對應外壁位置；高程y方向拉應力極值為2.31MPa出現(xiàn)于槽身兩側(cè)頂部，高程y方向壓應力極值2.13MPa，出現(xiàn)于拉應力極值的對應外壁位置；順槽z方向拉應力極值為3.22MPa，出現(xiàn)于槽身日照陽面內(nèi)壁頂部。可見，日照內(nèi)外溫差作用下，槽身內(nèi)部淺表面拉應力量值較大，超過了混凝土的抗拉強度，若考慮結(jié)構(gòu)荷載引起的應力，拉應力量值將進一步增大，因此，渡槽內(nèi)壁可能出現(xiàn)淺表裂縫。

(a)第一主應力

2.2 遭遇寒潮對槽身結(jié)構(gòu)的影響

按照第1節(jié)的邊界條件分析，在遭遇寒潮時，考慮外壁降低8℃。將槽內(nèi)壁過水斷面表面節(jié)點溫度設為水溫，渡槽外壁溫度為寒潮氣溫，形成8℃的內(nèi)外溫差。

2.2.1 寒潮變形分析

圖6為渡槽在寒潮作用下的變形云圖，可見在寒潮作用下，渡槽橫槽向變形呈現(xiàn)槽壁向內(nèi)收縮、槽身縮短的特點，其橫槽向最大位移達0.299mm，出現(xiàn)于槽身兩側(cè)頂部；渡槽順槽向變形呈現(xiàn)槽身整體沿上下游方向縮短，槽身上部較下部變形更加顯著的特點，其順槽向最大位移達1.007mm，出現(xiàn)于槽身兩側(cè)上下游兩端；渡槽高程向變形呈現(xiàn)槽身高程整體下降，中截面變形更加顯著的特點，其高程向最大位移達0.772mm，出現(xiàn)于渡槽中截面兩側(cè)頂部。

(a)橫槽x向

2.2.2 寒潮應力分析

圖7為寒潮作用下渡槽跨中截面各應力云圖(拉正壓負)，可見在寒潮作用下，槽身第一主應力極值為1.96MPa出現(xiàn)于槽身外壁，槽身內(nèi)壁均處于受壓狀態(tài)；橫槽x方向拉應力極值為0.99MPa，出現(xiàn)于槽身外壁中下部，橫槽x方向壓應力極值1.18MPa，出現(xiàn)于拉應力極值的對應內(nèi)壁位置；高程y方向拉應力極值為1.50MPa，出現(xiàn)于槽身外壁中部，高程y方向壓應力極值1.62MPa，出現(xiàn)于拉應力極值的對應內(nèi)壁位置；順槽z方向拉應力極值為1.29MPa出現(xiàn)于槽身外壁底部，順槽z方向壓應力極值為2.04MPa，出現(xiàn)于槽身內(nèi)壁頂部位置?？梢姡眱?nèi)外溫差影響下，槽身外壁的拉應力最大值約為1.96MPa，若進一步考慮結(jié)構(gòu)荷載引起的應力，可以在一定程度上消除槽身外壁的溫度拉應力，槽身外壁產(chǎn)生拉裂縫的可能性較小。

(a)第一主應力

3 渡槽溫度作用及抗裂措施探討

由第2節(jié)分析可知，在夏季日照作用、冬季寒潮作用下，渡槽會產(chǎn)生較大的溫度應力，最大拉應力可達3.22MPa，如此大的溫度應力可能會成為渡槽運行期的安全隱患。如何對極端條件下的溫度應力所產(chǎn)生的淺表裂紋進行有效控制，是工程中值得探討研究的問題。為避免溫度應力危及渡槽工程安全運行，可考慮采用以下混凝土抗裂措施：

(1)采用高抗拉強度的特殊建筑材料，如纖維混凝土；

(2)加強渡槽施工過程管理，提升施工質(zhì)量及養(yǎng)護質(zhì)量，盡量避免在高溫或氣溫驟降天氣進行施工澆筑作業(yè)；

(3)根據(jù)數(shù)值計算中的溫度應力分布特性，對混凝土內(nèi)部的鋼筋布置進行優(yōu)化設計，以確定經(jīng)濟可行、安全性高的鋼筋布置方案；

(4)進行渡槽溫度及裂縫監(jiān)測，一旦出現(xiàn)初期裂縫，應及時對裂縫進行修復處理，防止裂縫進一步擴展。

4 結(jié)論與展望

通過對渡槽不同氣候條件下進行溫度應力計算，可得到以下結(jié)論：

(1)夏季日照作用下，渡槽的變形呈現(xiàn)日照陽面橫槽向外張、順槽向伸長更明顯的變形特點。在應力分布方面，日照作用下各方向拉應力均出現(xiàn)于日照陽面槽身內(nèi)壁，本文荷載條件下(日照側(cè)溫升12.4℃，陰面?zhèn)葴厣?.8℃)渡槽最大拉應力為3.22MPa，出現(xiàn)于日照側(cè)槽身內(nèi)壁頂部。

(2)冬季寒潮作用下，槽身呈現(xiàn)整體收縮變形規(guī)律。寒潮作用下(外壁溫度較水溫下降8℃)，渡槽最大拉應力為1.96MPa，出現(xiàn)于槽身外壁中下部。

(3)夏季暴曬及冬季嚴寒條件下，溫度應力可能會影響渡槽的安全運行。為了預防由于溫度應力引起的槽身表面裂縫，可以采用恰當?shù)目沽汛胧邕x用摻入特殊材料的高抗拉強度混凝土、加強施工質(zhì)量及養(yǎng)護質(zhì)量管理、利用有限元計算對槽身鋼筋布置進行優(yōu)化設計、開展溫度監(jiān)測及裂縫檢測等。