溫度變化對大型預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)受力的影響

1、?溫度變化對大型預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)受力的影響工程事故分析?溫度變化對大型預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)受力的影響南水北調(diào)中線工程是世界矚目的大型跨流域調(diào)水工程，涉及了大 量的渡槽、倒虹吸、涵洞等建筑物。其中倒虹吸管是輸水工程中重要 的建筑物，如果外露的鋼筋混凝土管段出現(xiàn)裂縫，將給結(jié)構(gòu)帶來很大 的危害，另外，倒虹吸管受力復(fù)雜，結(jié)構(gòu)計(jì)算中不僅要考慮管身自重、 內(nèi)水壓力、外水壓力、土壓力、摩擦力、地震作用力等，還需考慮溫 度應(yīng)力。摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)是一個受力狀況復(fù)雜的大體積混 凝土結(jié)構(gòu)，在溫度變化作用下，其應(yīng)力狀態(tài)難以確定。為此，運(yùn)用三 維有限元對倒虹吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析， 確定其在無溫度變化

2、、最大 溫升、最大溫降情況下9種工況的應(yīng)力分布狀態(tài)。結(jié)果表明，在各種 設(shè)計(jì)工況荷載作用下，無溫度變化時，預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)均沒 有產(chǎn)生拉應(yīng)力；但在溫度變化時，工況I和工況皿均產(chǎn)生了較大的拉 應(yīng)力。其中，在溫升情況下，工況I底板下表面和工況皿頂板上表面 產(chǎn)生拉應(yīng)力大小分別為1.53MPa和1.72MPa;在溫降情況下，工況I 邊墻內(nèi)側(cè)、工況皿頂板下表面、工況皿底板上表面和工況皿邊墻內(nèi)側(cè) 產(chǎn)生拉應(yīng)力大小分別為 1.36MPa、1.77MPa、1.85MPa和1.65MPa。 因此，溫度變化對倒虹吸結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的。關(guān)鍵詞：溫度變化，倒虹吸，溫升，溫降,有限元分析以前對倒虹吸結(jié)構(gòu)配筋時，往

3、往不關(guān)注溫度應(yīng)力的影響，或者把溫度作用按照其他荷載引起的應(yīng)力加上一定的百分比來考慮1。近年來一系列的數(shù)值分析和原型觀測資料表明， 溫度變化是一項(xiàng)非常重 要的荷載，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算時，應(yīng)該考慮溫度的作用2-4。本文以大型倒虹吸結(jié)構(gòu)為研究對象，利用三維有限元分析軟件ANSYS， 進(jìn)行數(shù)值分析，深入研究大型倒虹吸結(jié)構(gòu)在沒有溫度作用、最高溫升作用和最高溫降作用等情況下，倒虹吸管身混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)， 及其對倒虹吸混凝土結(jié)構(gòu)的影響。1工程概況本工程由南段倒虹吸、中間明渠和北段倒虹吸三大部分組成，其中南北段倒虹吸由進(jìn)口檢修閘、倒虹吸管、出口節(jié)制閘（或檢修閘） 等建筑物組成。南段倒虹吸長1250m,中

4、間明渠長2030m,北段倒虹 吸長1055m。倒虹吸管為3孔1聯(lián)，單孔過水?dāng)嗝娉叽纾ǜ?浚） 6.6m>6.5m。管身為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形結(jié)構(gòu)，采用1860級高低松弛預(yù) 應(yīng)力鋼絞線和曲線孔道真空輔助灌漿后張有黏結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié) 構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為：底板、頂板及邊墻厚度均為1.0m,中墻厚度為0.8m。 倒虹吸斷面示意圖見圖1。2.6倒虹吸結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的三維有限元模型由于倒虹吸預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按抗裂設(shè)計(jì)，因此選用三維有限元彈性計(jì)算模型，并考慮地基和混凝土墊層對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響?；炷羻卧捎镁匿摻罨炷琳鬯銖椥阅Ａ?，不考慮預(yù)應(yīng)力筋對結(jié) 構(gòu)剛度的增強(qiáng)作用，預(yù)應(yīng)力鋼筋對混凝土的作用力以單元節(jié)

5、點(diǎn)通過專 用程序施加5。在正常使用極限狀態(tài)下，倒虹吸結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析三維有限元數(shù)值計(jì)算采用ANSYS通用有限元分析軟件中的8節(jié)點(diǎn)塊體元。為簡化計(jì)算，倒虹吸管兩側(cè)原位土和回填土對結(jié)構(gòu)的影響均以 外荷載代替 ?？紤]倒虹吸管下部地基土對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響， 由圣維南原理從倒虹吸管底部向下取地下基礎(chǔ)厚度為5.0m，從倒虹吸管邊豎墻向外取10m進(jìn)行模擬7-8。在進(jìn)行溫度計(jì)算時，以多年平均溫度對應(yīng)的溫度場作為初始溫度 場，最高溫升和最大溫降時對應(yīng)的溫度場為最終溫度場，得到平均溫度場相應(yīng)于最高溫升和最高溫降時的溫差，即為溫度應(yīng)力計(jì)算時的荷 載。溫度應(yīng)力計(jì)算采用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合的分析方法，先進(jìn)行熱分析 求得渡

6、槽結(jié)構(gòu)的溫度場，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將熱分析得到的溫度 場作為荷載加到結(jié)構(gòu)中，從而求得渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。計(jì)算溫度作 用時，溫度邊界條件為：倒虹吸外側(cè)采用地溫，倒虹吸內(nèi)側(cè)采用水溫 （有水工況）或者空氣溫度（無水工況）。3有限元結(jié)果分析3.1頂板正應(yīng)力3.1.1溫升條件下的應(yīng)力分布在所有工況荷載作用下，不考慮溫度變化時，頂板上表面和下表 面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力也不大。比較所有工況荷載作用，工況 I渠道設(shè)計(jì)水位（最高地下水位）和工況皿渠道加大水位條件下，倒 虹吸頂板上表面出現(xiàn)了較小的壓應(yīng)力。同時，由表 2可知，從工況I 到工況，倒虹吸內(nèi)部溫度受水溫控制，外部溫度受地溫控制，夏季 水溫較高，地溫

7、（倒虹吸管身埋于地下）相對較低，使得倒虹吸內(nèi)部 溫度高于外部溫度，溫差達(dá)10.1 C。這樣的溫差導(dǎo)致了頂板表面原本 壓應(yīng)力不大的邊跨跨中（工況I和工況皿）小部分區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)了拉 應(yīng)力，其中工況皿拉應(yīng)力較大。由圖4可知，應(yīng)力值由無溫度變化時 的壓應(yīng)力值-1.76MPa,變化為溫升時的拉應(yīng)力值 1.72MPa。在工況皿渠道加大水位作用下，溫升造成頂板下表面壓應(yīng)力整體 趨于增大趨勢，最大壓應(yīng)力發(fā)生在邊跨跨中，最大壓應(yīng)力由無溫度變 化時的-10.5MPa變化到溫升時的-13.1MPa （圖5）,壓應(yīng)力的增大對 結(jié)果影響不大。3.1.2溫降條件下的應(yīng)力分布對于下表面，當(dāng)外界氣溫下降時，比如在冬季12月份

8、時，氣溫和水溫變化較大，地溫變化較小，使得倒虹吸管內(nèi)溫度低于管外溫度， 最大溫降為-14.1C。經(jīng)分析，在溫降情況和荷載作用下，在所有工況 中，工況皿拉應(yīng)力最大，拉應(yīng)力大小為1.77MPa（圖5）。拉應(yīng)力發(fā)生 在頂板下表面距離倒虹吸左邊緣 610m范圍內(nèi)，因?yàn)樵撐恢锰幵诘?虹吸管頂板與豎墻交接處，因此，應(yīng)加強(qiáng)此處的構(gòu)造措施。對于上表 面，溫降使得壓應(yīng)力值增大，壓應(yīng)力值由原來的-14.7MPa變化到-16.5MPa。3.2底板正應(yīng)力3.2.1溫升條件下的應(yīng)力分布所有工況荷載作用下，在不考慮溫度變化時，底板上下表面均沒 有出現(xiàn)拉應(yīng)力。大部分混凝土在施加預(yù)應(yīng)力的作用下處于受壓狀態(tài)， 形成連續(xù)受壓區(qū)，

9、壓應(yīng)力最大值為-10.92MPa（工況W）。由圖6可知,對于底板上表面，溫升使得壓應(yīng)力趨于增大趨勢，最大壓應(yīng)力為 -13.14MPa。由圖7可知，在工況I長期荷載作用下，溫升對底板下 表面不利，使底板下表面距離邊跨左邊緣3 6m范圍和距離邊跨左邊緣10.212.4m范圍內(nèi)均出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值分別為 1.53MPa和0.86MPa。對于工況忸和工況區(qū)，溫升對倒虹吸底板下邊 緣是不利的，雖然溫升值較高（11.4C）,但由于完建期管內(nèi)無水， 減小了內(nèi)水壓力，使得底板下邊緣僅出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力（0.13MPa）, 說明內(nèi)水壓力影響較大。3.2.2溫降條件下的應(yīng)力分布在溫降情況下，工況皿在底板上表

10、面邊跨左邊與邊墻交接處以及 中跨上表面右邊與中墻交接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中，拉應(yīng)力較大，分別為1.28MPa和 1.85MPa,見圖 6。3.3邊墻和中墻正應(yīng)力所有工況荷載作用下，在不考慮溫度變化和溫升時，邊墻左右表 面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。在施加預(yù)應(yīng)力的作用下混凝土處于受壓狀態(tài)， 形成連續(xù)受壓區(qū)，壓應(yīng)力最大值為-12.75MPa。此時，溫升對于倒虹吸管內(nèi)側(cè)是有利的， 溫升使得管內(nèi)側(cè)混凝土 膨脹，減小了拉應(yīng)力。相反，溫升對于倒虹吸管外側(cè)是不利的，但曲 線預(yù)應(yīng)力筋的作用對倒虹吸管外側(cè)拉應(yīng)力具有緩沖作用。因此，整體作用使得倒虹吸管外側(cè)并沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力。溫降時，在工況1（渠道設(shè)計(jì)水位、河道無水）長期荷載作用下

11、 和工況皿（渠道加大水位，管頂土被校核洪水沖至管頂以上0.5m） 短期荷載作用下，邊墻內(nèi)側(cè)與頂板上表面交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中， 局部 拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力分別為1.36MPa和1.65MPa。此處，溫降對 倒虹吸結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)是不利的，使得倒虹吸管內(nèi)側(cè)混凝土收縮，加劇了倒 虹吸管內(nèi)側(cè)混凝土拉應(yīng)力9。中墻在所有工況荷載作用下，不考慮溫度變化時和溫升、溫降情 況下均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力不大，最大壓應(yīng)力為8.3MPa,相當(dāng)于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的 31%,保證正常使用狀態(tài)下混凝土 受壓徐變在彈性范圍內(nèi)。因此，中墻預(yù)應(yīng)力筋采用直線型完全滿足要 求。4結(jié)語在所有工況荷載作用下，溫度變化時，工況I和工況皿

12、均產(chǎn)生了 較大的拉應(yīng)力，其中，工況皿溫降時在底板上邊緣與中墻交接處產(chǎn)生 了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小為1.85MPa,溫升時，在邊跨跨中產(chǎn)生 了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為1.72MPa。從計(jì)算結(jié)果看，溫度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力不容忽視，在進(jìn)行混凝土 倒虹吸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，必須全面考慮溫度荷載，以往設(shè)計(jì)中簡化 甚至忽略溫度荷載的做法是不合理的。參考文獻(xiàn)：1王林玉，朱向榮，鐘秉章.巖石抗力和內(nèi)外溫差對大型水電站 蝸殼結(jié)構(gòu)的影響J.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2000, 34 (4) : 433-437.5李曉克，嚴(yán)振瑞，趙順波，等.淺埋式預(yù)應(yīng)力混凝土壓力管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較J.水利水電技術(shù)，2002, (6): 2