預(yù)應(yīng)力渡槽邊界條件計(jì)算分析

□王 磊(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司)

□佟 帥(南水北調(diào)河南直管建管局)

文中選用的算例是南水北調(diào)中線工程黃河北段上的一座預(yù)應(yīng)力排水渡槽，走向?yàn)闁|西方向。渡槽所處地域風(fēng)壓為0.4 kN/m2，空氣溫度每月最高約33.6℃，空氣溫度每月最低約-3.8℃，空氣溫度年平均為16.8℃。此處排水渡槽為單幅跨度約20.89m，為6.0m×5.15m矩形斷面結(jié)構(gòu)，受力邊梁和受力中梁均為1.0m×1.2m，渡槽底板厚度0.6m，受力邊墻厚度為0.7m，受力中墻厚度為0.8m。

1.太陽(yáng)輻射強(qiáng)度考慮

1.1 太陽(yáng)赤緯角

渡槽所受太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化與其所在地區(qū)、時(shí)間、方位等都有十分重要的聯(lián)系。

其計(jì)算公式為：

注：N取1（一月一日），按次序增加。

1.2 地方太陽(yáng)時(shí)

在渡槽所受太陽(yáng)輻射的計(jì)算中，地方太陽(yáng)時(shí)是十分重要的參數(shù)；另外，在計(jì)算分析中一般采用地方氣象站提供的太陽(yáng)輻射資料基本使用地方太陽(yáng)時(shí)。文中計(jì)算對(duì)象的地理位置為東經(jīng)115°，北緯 39°。 計(jì)算公式如下：

Sd=S+[F-(120°-JD)×4]/60

注：S為小時(shí)數(shù)（北京時(shí)間）；F為分鐘數(shù)（北京時(shí)間）；Sd為太陽(yáng)時(shí)（計(jì)算對(duì)象所在區(qū)域）；JD為經(jīng)度（計(jì)算對(duì)象所在區(qū)域）。

1.3 太陽(yáng)時(shí)角

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，地球自轉(zhuǎn)速度為15°/h，零度為每天正午12時(shí)。

1.4 邊界上太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的處理

由于自然條件的原因，對(duì)于太陽(yáng)輻射渡槽存在向光和背光情況存在，渡槽的頂部、邊墻、底板等均有不同的影響，渡槽的頂部、南邊墻基本處于陽(yáng)光的直射和散射的范圍影響、散射影響，陽(yáng)光的散射影響范圍只有渡槽北邊墻、中墻和南邊墻，而渡槽的北邊墻、中墻和底板上所受的太陽(yáng)輻射應(yīng)該針對(duì)太陽(yáng)高度以及與渡槽的照射角度來(lái)計(jì)算。

1.5 輻射強(qiáng)度的計(jì)算

一般情況下，在針對(duì)預(yù)應(yīng)力渡槽邊界條件的計(jì)算過(guò)程中需要對(duì)太陽(yáng)的對(duì)渡槽的輻射量進(jìn)一步的精確計(jì)算，但是由于一方面，從地方氣象部門(mén)得到的資料過(guò)于籠統(tǒng)；另一方面因?yàn)榧竟?jié)的不同、天氣狀況的變化、地理位置的更換、氣候的差異等多方面的原因，渡槽所受的輻射量變化較大；所以，只有通過(guò)對(duì)計(jì)算對(duì)象的具體情況加以分析，并結(jié)合用太陽(yáng)直射通量、強(qiáng)度；太陽(yáng)散射通量、強(qiáng)度曲線的分析計(jì)算。

從圖1～圖4可知，利用地方氣象部門(mén)的資料通過(guò)計(jì)算可知太陽(yáng)的直射強(qiáng)度和散射強(qiáng)度分別為太陽(yáng)光線射入和其在水平方向上的強(qiáng)度，另外利用公式：

圖1 太陽(yáng)累計(jì)直射通量曲線圖

圖2 太陽(yáng)直射強(qiáng)度圖

圖3 太陽(yáng)累計(jì)散射通量曲線圖

圖4 太陽(yáng)散射強(qiáng)度圖

計(jì)算出該渡槽從6:00-18:00時(shí)間段中每小時(shí)各邊界所受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，其中 （單位：W/m2)：頂面所受輻射強(qiáng)度為20、130、309、530、747、909、976、933、792、588、371、187、63； 南邊墻外 表面所受輻射 強(qiáng) 度 為 29、68、56、88、86、269、308、293、231、147、71、69、34；北邊墻外表面所受輻射強(qiáng)度為 3、17、31、43、54、63、69、73、73、70、61、48、28；拐角面所受輻射強(qiáng)度為 27、80、82、137、328、595、860、750、457、244、117、105、53。

2.大氣溫度的考慮

對(duì)于渡槽來(lái)說(shuō)，其本身溫度變化除了要受到太陽(yáng)熱輻射的原因之外，另外一個(gè)重要的影響條件是渡槽所處環(huán)境的溫度變化；由于多方面的原因，渡槽本身溫度會(huì)與環(huán)境溫度產(chǎn)生差異，甚至渡槽本身也由于不偉大不同造成一定的溫度差異，所以渡槽結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境溫度場(chǎng)的考慮對(duì)渡槽邊界條件的計(jì)算式是至關(guān)重要的，如圖5所示。

圖5 箱梁外界氣溫變化圖

通過(guò)分析可知，與其他結(jié)構(gòu)相比，在針對(duì)渡槽的環(huán)境溫度變化的計(jì)算過(guò)程中一般可以認(rèn)為：

2.1 空槽工況：由于渡槽頂面和南邊墻外表面在陽(yáng)光直接照射情況下，所以計(jì)算過(guò)程中的溫度采用的是橋梁箱梁結(jié)構(gòu)的頂面溫度；而由于，處于一直處于背光狀態(tài)下，渡槽北邊墻外表面、中墻和南邊墻背陽(yáng)面、底板下表面等溫度采用橋梁箱梁結(jié)構(gòu)的大氣溫度；另外，針對(duì)處于陽(yáng)光照射變化范圍內(nèi)的北邊墻和中墻向陽(yáng)面、底板上表面，則分別認(rèn)為直接照射情況下，計(jì)算過(guò)程中的溫度采用的是橋梁箱梁結(jié)構(gòu)的頂面溫度；背光狀態(tài)下，渡槽北邊墻外表面、中墻和南邊墻背陽(yáng)面、底板下表面等溫度采用橋梁箱梁結(jié)構(gòu)的大氣溫度。

2.2 滿槽和設(shè)計(jì)工況：渡槽過(guò)水表面不考慮氣溫影響，其余表面參照空槽工況情況。

3.熱交換系數(shù)

3.1 對(duì)流換熱系數(shù)

當(dāng)風(fēng)速ν≤5.0m/s時(shí)，對(duì)流熱交換系數(shù)按照下式進(jìn)行計(jì)算：

3.2 輻射換熱系數(shù)

其關(guān)系如圖6：

圖 6 hr與 Ts、Ta關(guān)系圖

3.3 冬季熱交換系數(shù)

由于冬季風(fēng)速＞5m/s。所以，根據(jù)風(fēng)速的不同采用不同數(shù)值，如：風(fēng)速(m/s)在 0～5 范圍內(nèi)，分別為 0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 時(shí)，hr(W/m2·℃)相應(yīng)為 9.4、13.2、16.8、20.6、24.3、28；風(fēng)速(m/s)在 6～10 范圍內(nèi)，分別為 6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 時(shí)，hr(W/m2·℃)相應(yīng)為31.7、35.4、39.1、42.8、46.5；

4.結(jié)論

分析計(jì)算預(yù)應(yīng)力排水渡槽在太陽(yáng)輻射和大氣溫度場(chǎng)變化對(duì)預(yù)應(yīng)力渡槽的影響，針對(duì)渡槽在不同時(shí)間和陽(yáng)光輻射狀況下單位時(shí)間段內(nèi)輻射量的變化進(jìn)行了計(jì)算，從而對(duì)在陽(yáng)光直射、散射以及環(huán)境溫度交換等條件因素預(yù)應(yīng)力渡槽邊界條件計(jì)算分析進(jìn)行了一定的研究與探討。

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