預(yù)應(yīng)力混凝土箱形倒虹吸管溫度應(yīng)力的有限元分析

耿 靜

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

預(yù)應(yīng)力混凝土箱形倒虹吸管溫度應(yīng)力的有限元分析

耿 靜

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

運(yùn)用ANSYS有限元熱—結(jié)構(gòu)耦合分析建立箱形倒虹吸管結(jié)構(gòu)溫度計算的模型，分析了溫度應(yīng)力對預(yù)應(yīng)力混凝土箱形倒虹吸管的影響，得出當(dāng)溫度應(yīng)力過大時，會造成倒虹吸管表面產(chǎn)生裂縫的結(jié)論，該成果對類似工程溫度應(yīng)力分析和溫控具有一定借鑒意義。

箱形倒虹吸管，預(yù)應(yīng)力混凝土，溫度應(yīng)力，有限元

0 引言

南水北調(diào)中線工程為一等工程，倒虹吸為Ⅰ級建筑物，倒虹吸工程是該調(diào)水工程中數(shù)量最多的一種河渠交叉建筑物[1]，其特點(diǎn)是流量大，水頭小，對結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算要求很高，幾乎所有的輸水線路上的交叉的倒虹吸建筑物均采用鋼筋混凝土箱形倒虹吸結(jié)構(gòu)，具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、耐久和方便施工的優(yōu)點(diǎn)[2,3]。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的倒虹吸管，受力比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計算中除需考慮管身自重、內(nèi)水壓力、管身水重等外，還需考慮溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力是客觀存在的，受周圍溫度作用，容易使管身表面溫度迅速升高，而管身內(nèi)部溫度升高緩慢，這樣就在混凝土倒虹吸管結(jié)構(gòu)中形成內(nèi)外溫差，內(nèi)外溫差導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫差過大或升降速度過快時，混凝土就會產(chǎn)生溫度裂縫[4]。在其他荷載的共同作用下，由此產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變形，造成結(jié)構(gòu)的開裂，產(chǎn)生危害。本文以淇河倒虹吸管為例，分析內(nèi)外溫差對倒虹吸管的影響。

1 工程概況

淇河渠道倒虹吸工程屬鶴壁段的河渠交叉建筑物，位于河南省鶴壁市大賚店開發(fā)區(qū)夏莊村北約100 m，東距京廣鐵路約400 m，距107國道600 m，淇河發(fā)源于太行山的山西陵川，屬海河流域衛(wèi)河重要支流，河渠交叉斷面以上集流面積2 088 km2，天然情況下河道百年一遇洪峰流量3 880 m3/s，300年一遇洪峰流量7 230 m3/s。淇河倒虹吸建筑物級別為Ⅰ級，結(jié)構(gòu)安全等級為Ⅰ級[5]。倒虹吸渠道設(shè)計水位95.778 m，加大水位96.176 m，河道枯水位87.600 m，設(shè)計水位(100年一遇洪水位)96.740 m，校核水位(300年一遇洪水位)100.130 m，河床最大高程為91.800 m，最小高程為86.000 m，河道無水期，地下水位78.8 m。采用3孔一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，每節(jié)長度20.0 m，過水?dāng)嗝娉叽鐬楦摺翆?7.0 m×7.1 m，河床下倒虹吸管頂上表面高程82.0 m。

2 混凝土材料性能

根據(jù)淇河倒虹吸的工程特點(diǎn)，本文有限元分析模型計算研究的目的是倒虹吸管在內(nèi)外溫差作用下對管身變形的影響，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是否使倒虹吸管產(chǎn)生裂縫，進(jìn)一步采取防護(hù)措施，倒虹吸截面尺寸見圖1。

倒虹吸管身混凝土等級C40，混凝土抗?jié)B等級為W6。混凝土的具體參數(shù)[6]見表1。

一般混凝土的內(nèi)外溫差的允許界限為20 ℃～25 ℃，如果混凝土受到的內(nèi)外溫差超過了其允許界限，倒虹吸管就會產(chǎn)生溫度裂縫。為了研究在內(nèi)外溫差作用下對倒虹吸的影響，結(jié)合實(shí)際工程情況，取正常工況下混凝土的內(nèi)外溫差值進(jìn)行有限元的分析研究。

表1 混凝土的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)

軸心抗壓強(qiáng)度fck/MPa軸心抗拉強(qiáng)度ftk/MPa彈性模量Ec/MPa泊松比Vc比熱CW/(m·K)導(dǎo)熱系數(shù)αW/(m·K)密度ρkg/m3熱膨脹系數(shù)a℃-127.02.453.25×1040.1670.9452.91240010×10-5

3 有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分

本工程取河床下一節(jié)直管段，三孔一聯(lián)結(jié)構(gòu)為研究對象，運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模型分析，采用熱分析單元Solid70[7,8]。取其管身20 m長度進(jìn)行模擬。其中x，y坐標(biāo)軸分別對應(yīng)河床下倒虹吸結(jié)構(gòu)的橫向和豎向，數(shù)值模型共計4 158個節(jié)點(diǎn)、3 872個單元，計算網(wǎng)格圖見圖2。

4 溫度應(yīng)力分析

對淇河倒虹吸管以典型荷載工況下混凝土允許界限內(nèi)的內(nèi)外溫差進(jìn)行分析。

溫度工況一：冬季寒冷，管內(nèi)水溫高于管外壁溫度，內(nèi)外溫差比較小。管外溫度為-5 ℃，內(nèi)壁溫度等于水溫溫度，水溫溫度為5 ℃。

溫度工況二：夏季受太陽輻射，管外壁溫度高于水溫，內(nèi)外溫差較大，管外溫度為50 ℃，內(nèi)壁溫度等于水溫溫度，水溫溫度為26 ℃。

荷載工況：洞內(nèi)設(shè)計流量，三孔過水，河道無水，覆蓋層河堤下厚15.5 m，河床下厚9.8 m。

下面以溫差應(yīng)力為10 ℃的混凝土倒虹吸管為研究對象，對其進(jìn)行有限元的分析研究，結(jié)合結(jié)構(gòu)荷載分析[9]，得出倒虹吸管的應(yīng)力分布。其中，σ1為第一主應(yīng)力，混凝土的抗拉極限強(qiáng)度值為2.45 MPa。

選取四個特征截面(x=2 m，y=9.1 m；x=8.55 m，y=9.1 m；x=1.55 m，y=7.95 m；x=7.65 m，y=7.95 m)對10 ℃溫差下受到的應(yīng)力進(jìn)行分析，如圖3所示。

分別計算兩種溫度工況與荷載工況組合下四個特征截面的應(yīng)力值，如表2所示。

表2 兩種溫度工況下特征截面的應(yīng)力值 MPa

而其最大應(yīng)力值見表3。

表3 兩種溫度工況下最大應(yīng)力值 MPa

由圖4～圖6可以看出：

溫度應(yīng)力為非線性分布，而不是均勻分布。溫度應(yīng)力和一般的荷載不同，基本上應(yīng)力和應(yīng)變不再符合胡克定律，應(yīng)變與應(yīng)力不成正比，經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)變大而應(yīng)力小，或者應(yīng)力大而應(yīng)變小的情況。由表1可以看出，兩種溫度和荷載工況下，溫差越大，四個特征截面所受到的應(yīng)力值越大。

在冬季溫差較小的情況下，混凝土溫度應(yīng)力變化較小，管內(nèi)的內(nèi)表面溫度應(yīng)力大于外表面溫度應(yīng)力，但與其他荷載組合后，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在管外表面處，截面1和截面2受到的應(yīng)力大于截面3和截面4受到的應(yīng)力，最大主應(yīng)力值為2.01 MPa<2.45 MPa，同理，在夏季溫差較大的情況下，混凝土的溫差會越大，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也會越大，其第一主應(yīng)力值為2.43 MPa<2.45 MPa，兩種情況下最大主應(yīng)力均沒有超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度ftk，故在這兩種溫差作用下倒虹吸管表面不會產(chǎn)生裂縫。

比較工況一和工況二可得，在兩種溫度應(yīng)力的作用下，內(nèi)外溫差越大，倒虹吸管頂板受到的拉應(yīng)力就會越大，特別是在邊墻和中墻的頂板處，受到的拉應(yīng)力較大，當(dāng)受到的拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，頂板表面就會產(chǎn)生縱向裂縫。

5 結(jié)語

1)混凝土倒虹吸管屬于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，形式比較單薄，溫度應(yīng)力客觀存在，容易引起裂縫。溫度應(yīng)力隨著周圍環(huán)境溫度、太陽輻射、冬季降溫等的變化而變化，而結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力也會隨著溫度的變化而產(chǎn)生變化，在有限元分析中屬于瞬時分析。

2)由圖5，圖6可以看出，最大主應(yīng)力產(chǎn)生在倒虹吸管的表面，尤其是在邊墻和中墻連接的頂板處。當(dāng)內(nèi)外溫差為24 ℃時，最大主應(yīng)力值接近混凝土極限抗拉強(qiáng)度值，當(dāng)溫差超過24 ℃時，在溫度應(yīng)力和荷載共同作用下頂板表面更容易產(chǎn)生裂縫，對倒虹吸管的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害。

3)溫度應(yīng)力由管壁內(nèi)外溫差決定，與管的溫度無關(guān)。當(dāng)內(nèi)外溫差超過混凝土允許的界限狀態(tài)，混凝土?xí)a(chǎn)生裂縫。

4)運(yùn)用有限元程序?qū)Ρ竟こ虄煞N工況進(jìn)行有限元計算結(jié)果，有效反映了混凝土倒虹吸管的溫度應(yīng)力、變形變化規(guī)律。在施工時應(yīng)充分考慮和重視溫度應(yīng)力，使混凝土的內(nèi)外溫差不超過其允許值，并采取有效的預(yù)防和保護(hù)措施以避免產(chǎn)生裂縫，為以后相似工程有限元計算提供理論參考。

[1] 魏子昌，引江濟(jì)漢與南水北調(diào)[J].水利天地，1992(19)：6.

[2] 余際可，羅尚生.倒虹吸管[M].第2版.田 文，譯.北京: 水利電力出版社，1983：12.

[3] 李曉克，趙順波，趙國藩.預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管道設(shè)計方法[J].工程力學(xué)，2004，21(6)：124-130.

[4] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1998.

[5] 林繼鏞.水工建筑物[M].北京：水利水電出版社，2006.

[6] GB 50495-2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[7] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007：10.

[8] 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

[9] 戚 藍(lán)，蓋 高.倒虹吸管的荷載及結(jié)構(gòu)分析[J].水利水電工程設(shè)計，2001(21)：1.

Prestressed concrete box inverted siphon tube temperature stress finite element analysis

GENG Jing

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450011,China)

Using ANSYS finite element thermal-structural coupled analysis established model of box-shaped siphon tube structure about temperature calculation. Thermal stress analyzed effects of prestressed concrete box-shaped inverted siphon. When the temperature stress is too large, it will cause cracks in the surface of inverted siphon. The results has a certain reference of similar projects temperature stress analysis and the thermostat.

box inverted siphon， prestressed concrete, temperature stress， finite element

1009-6825(2014)03-0060-02

2013-11-14

耿 靜(1986- )，女，在讀碩士

TV672.5

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