渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力耦合探討范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力耦合探討參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《江西水利科技》2017年第4期

摘要:渡槽在運(yùn)行期由于外界環(huán)境變化會(huì)引起渡槽內(nèi)部的溫度應(yīng)力變化．新疆克孜河渡槽位于新疆南部地區(qū)，日照時(shí)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，運(yùn)行期環(huán)境變化較大，溫度應(yīng)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(yùn)行期溫度、應(yīng)力分布規(guī)律，最終達(dá)到在渡槽運(yùn)行期間有效防裂的目的，為今后渡槽設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考．

關(guān)鍵詞:克孜河;渡槽工程;溫度應(yīng)力;耦合分析

0引言

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(yùn)行期渡槽槽身溫度梯度過大，為確保渡槽運(yùn)行期結(jié)構(gòu)安全，有必要展開施運(yùn)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(yùn)行期溫度應(yīng)力耦合情況，提出方案降低渡槽槽身溫度梯度，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)=87m3/s，Q加大=100m3/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、過水能力需求，槽身段初步設(shè)計(jì)為22跨簡支渡槽，每跨長度為30m，總長660m，共兩孔，縱坡1/550，設(shè)計(jì)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(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圖1。計(jì)算模擬取一跨進(jìn)行建模研究，有限元分析模型見圖2所示，采用六面體實(shí)體單元，單元共有30860個(gè)，節(jié)點(diǎn)共有41814個(gè)。

3熱傳導(dǎo)方程

對混凝土溫度應(yīng)力分析，首先研究混凝土內(nèi)部溫度場。混凝土溫度場受多種因素影響，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。混凝土的溫度場是一種非穩(wěn)定的溫度場，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］：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(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，由于太陽輻射情況下溫度場最為復(fù)雜，在夏季無云少風(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］。

5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。

6計(jì)算成果

6．1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(yùn)行期起來說比較危險(xiǎn)，所以很有必要進(jìn)行溫度應(yīng)力耦合計(jì)算。通過對渡槽外表面與內(nèi)表面設(shè)置運(yùn)行期相對應(yīng)的第一類與第二類溫度邊界，計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度場耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yīng)力時(shí)程曲線圖。(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)由圖4可知，渡槽向陽側(cè)外表面溫度隨太陽輻射增強(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℃，在太陽輻射較強(qiáng)時(shí)形成較大內(nèi)外溫差。這樣造成渡槽向陽處最大拉應(yīng)力為6．64MPa大于C50抗拉強(qiáng)度2．64MPa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)力超過抗拉強(qiáng)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。

6．2工況

2運(yùn)行期采取保溫措施運(yùn)行期若不采取保溫措施，渡槽內(nèi)壁以及外側(cè)腹板與頂板交接處拉應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度;根據(jù)現(xiàn)場施工條件以及長期運(yùn)行穩(wěn)定性方面考慮，采取外貼一層10cm厚的苯板進(jìn)行保溫，計(jì)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(shí)程曲線如圖5。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2．64Mpa。

7結(jié)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(yùn)行期溫度、應(yīng)力耦合分布規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:(1)運(yùn)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(yīng)力。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輻射的高溫尚未降下來，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)場施工條件以及長期運(yùn)行穩(wěn)定性方面考慮，渡槽外側(cè)面采取外貼一層10cm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)力超限問題基本得以解決。

參考文獻(xiàn):

［1］張繼周．全封閉箱型渡槽溫度場分析研究［J］．甘肅水利水電技術(shù)，2016，52(6):29～33．

［2］李蘇航，季日臣，柏文文．渡槽在折線溫差分布下的橫向溫度應(yīng)力計(jì)算［J］．水電能源科學(xué)，2016，34(12):121～124．

［3］陳華婷，劉龍，張文學(xué)，等．大跨度疊箱渡槽溫度場分布研究［J］．工業(yè)建筑，2015，增刊Ⅰ．

［4］黃濤．渡槽混凝土施工溫度引發(fā)裂縫的處理［J］．山東工業(yè)技術(shù)，2015(6):126～127．

［5］崔浩朋，劉洋，趙寧．大型矩形混凝土渡槽運(yùn)行期太陽輻射溫度場模擬研究［J］．河南科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014，42(1):67～72．

［6］中華人民共和國水利部．水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范:SL191－2008［S］．

［7］中國建筑科學(xué)研究院．預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)程:JGJ140－2004［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［8］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院．公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范:D10JTGD62－2004［S］．北京:人民交通出版社，2004．

［9］陳茜，季日臣．日照作用下箱型渡槽溫度場與溫度應(yīng)力研究［J］．人民長江，2014(S2):128－130．

［10］季日臣，嚴(yán)娟，蘇小鳳．混凝土箱形渡槽日照高溫下結(jié)構(gòu)安全研究［J］．南水北調(diào)與水利科技，2013，11(6):90～92，109．

［11］嚴(yán)娟，季日臣．箱形渡槽冬季輸水工況下溫度場與溫度應(yīng)力研究［J］．甘肅科技，2013，29(21):123～124．

［12］嚴(yán)娟，季日臣，馬虎迎．箱形渡槽越冬期間表面保溫能力計(jì)算［J］．水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2013(6):88～91．

［13］李曉克，張曉燕，張學(xué)朋，等．預(yù)應(yīng)力混凝土渡槽溫度影響及設(shè)計(jì)研究［J］．長江科學(xué)院院報(bào)，2012，29(1):44～48.

作者：潘崇仁 單位：水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院