克孜河渡槽運行期溫度應力耦合分析

潘 崇 仁

(新疆水利水電勘察設計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

克孜河渡槽運行期溫度應力耦合分析

潘 崇 仁

(新疆水利水電勘察設計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000)

渡槽在運行期時水泥水化熱已經(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引起渡槽內(nèi)部的溫度應力變化，同時在日照、環(huán)境溫度變化和驟然降溫時會引起結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差與溫度應力變化。為了有效防止渡槽在運行期混凝土槽身開裂，造成不必要的損失，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(guī)律。結(jié)果表明：運行期溫度應力較大，通過在渡槽外壁采取保溫措施，有效的改善了槽身的應力狀態(tài)，可為今后渡槽設計提供設計依據(jù)。

克孜河；渡槽工程 ；運行期；溫度應力；耦合分析

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(qū)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(huán)境溫度較低，冬季水溫較環(huán)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(jié)構(gòu)安全，有必要展開施運行期全過程數(shù)值分析[5-8]，本次數(shù)值模擬主要側(cè)重渡槽槽身在運行期溫度應力耦合情況，最終提出方案降低渡槽槽身溫度梯度，依次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=87 m3/s，Q加大=100 m3/s，渡槽主要由進、出口漸變段、槽身段、渡槽下部結(jié)構(gòu)、渡槽基礎等建筑物組成，根據(jù)地形、結(jié)構(gòu)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30 m，總長660 m，共兩孔，縱坡1/550，設計流量水深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)，底板下部設置橫向底梁，頂板下部橫向設置底梁，兩側(cè)墻外側(cè)設置肋板，對支座處進行了模擬鉸接處理，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，槽截面示意圖以及單跨渡槽槽身橫剖面見圖1。

圖1渡槽截面示意圖

3 計算模型及假定

渡槽槽身總長660 m，為22跨30 m簡支結(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)格剖見圖2，采用六面體實體單元，單元共有30 860個，節(jié)點共有41 814個。

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

4 熱傳導方程

混凝土溫度應力分析，首先研究混凝土內(nèi)部溫度場?；炷翜囟葓鍪芏喾N因素影響，涉及混凝土內(nèi)部熱量產(chǎn)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?；炷恋臏囟葓鍪且环N非穩(wěn)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(lián)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(fā)出熱量的混凝土內(nèi)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]：

(1)

5 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(shù)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(nèi)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(nèi)水溫、氣溫及槽內(nèi)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]。

第二類邊界條件(又稱為空間邊值條件)[12]，根據(jù)實測數(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輻射因素，并根據(jù)當?shù)貧庀筚Y料選取，具體見圖3?；炷帘砻媾c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考慮太陽輻射影響時渡槽各部位環(huán)境溫度時程曲線

根據(jù)規(guī)范得到渡槽混凝土標號C50的彈性模量以及泊松比，通過試驗得到渡槽導熱系數(shù)以及比熱，材料熱特性值見表1。

表1 材料熱特性值

6 計算工況

根據(jù)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。(1) 工況1：考慮運行期太陽輻射造成的溫差；(2) 工況2：太陽輻射+保溫措施。

7 計算成果

7.1 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(qū)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(nèi)外溫度梯度較大，該工況對于運行期來說也是比較危險，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(nèi)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(jié)構(gòu)溫度場耦合結(jié)構(gòu)應力場，可得渡槽向陽側(cè)腹板和背陰側(cè)腹板由內(nèi)、外的溫度、應力時程曲線圖見圖4。

圖4運行期不加措施渡槽向陽、背陰側(cè)腹板M1—M6點溫度、應力時程曲線圖

工況1分析結(jié)果表明：

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

(2) 渡槽向陽側(cè)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(nèi)表面依次降低。由于渡槽向陽側(cè)腹板外表面最高溫度達到53.3℃，而內(nèi)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(nèi)外溫差。這樣造成渡槽向陽處最大拉應力為6.64 MPa大于C50抗拉強度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力超過抗拉強度。

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

7.2 工況2運行期采取保溫措施

運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力超過抗拉強度，根據(jù)現(xiàn)場施工條件以及長期運行穩(wěn)定性方面考慮，采取外貼一層10 cm厚的苯板進行保溫，計算可得出渡槽向陽側(cè)腹板和背陰側(cè)腹板由內(nèi)向外的溫度時程曲線見圖5。

圖5運行期加措施后渡槽向陽、背陰側(cè)腹板M1—M6溫度、應力時程曲線圖

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

8 結(jié) 論

(1) 運行期渡槽受氣溫、太陽輻射等影響，向陽側(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)生較大溫度應力。而在夜晚降溫時，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輻射的高溫尚未降下來，導致內(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)生較大的拉應力。所以需要在渡槽外壁采取保溫措施。

(2) 計算結(jié)果表明，根據(jù)現(xiàn)場施工條件以及長期運行穩(wěn)定性方面考慮，渡槽外側(cè)面采取外貼一層10 cm厚的苯板進行保溫，避免渡槽槽內(nèi)低溫運行時強光照射產(chǎn)生的溫度應力，槽身拉應力超限問題基本得以解決。

(3) 通過三維有限元軟件建立克孜河渡槽模型，模擬對渡槽運行期溫度、應力耦合分布規(guī)律，最終達到在渡槽運行期間有效防裂的目的，可為今后渡槽提設計供依據(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)設計工作。E-mail：316660431 @qq.com

TV672+.3

A

1672—1144(2017)05—0224—04