渡槽運行期間受溫度應力影響的穩定性分析

張艷萍，邢紅芳，楊德鋒，袁周祥，梁 棟

（1.河南水利與環境職業學院，河南鄭州450008；2.水利部海委漳衛南運河岳城水庫管理局，河北 邯鄲056001；3.河北工程大學水電學院，河北 邯鄲056038）

在引調水工程中,渡槽作為必不可少的輸水建筑物一直發揮著重要作用。由于所處環境溫度變化較大,因此其運行期受溫差影響所產生的溫度應力對大型槽深混凝土結構的穩定性會帶來嚴重威脅。前人研究結果表明,渡槽作為大體積混凝土,結構穩定性受溫度影響較為顯著［1］,Arrayago 等［2］進行了混凝土橋溫度應力分析,提出了用非線性模型預測溫度和應力分布,解決了渡槽部分溫度應力計算問題；Saatcioglu等［3］總結了渡槽受溫度應力影響產生裂縫的控制措施；潘家錚［4-5］為解決大體積混凝土受溫度影響導致結構開裂問題,提出了針對溫度應力的有限元解法和拆分解法；朱伯芳［6］編制了用于渡槽溫度場計算的有限元程序,使得利用計算機分析渡槽穩定性成為一種新的研究方法；中國水利水電科學研究院［7］開發的溫度應力仿真系統,成功地用于國內混凝土渡槽的仿真分析計算。但對渡槽運行期受水溫以及氣溫溫差產生的溫度應力與水壓共同作用對結構穩定性產生的影響研究還較少,常常通過埋設應變片來反映結構的位移變化,之后再采取維護措施,較為被動。

為研究渡槽運行期溫度應力對結構穩定性產生的影響,以南水北調中線洺河渡槽為研究對象,對其配合比的混凝土進行室內物理試驗,得出物理力學參數,以力學參數為基礎采用ANSYS有限元軟件建立三維數值模型,選取不同溫度與水位正交工況進行數值模擬分析,得到渡槽混凝土在熱流固三場耦合作用下的溫度分布及應力位移變化規律,為渡槽運行維護提供理論參考依據。

1 試驗方法

1.1 原材料及配合比

試驗采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥,粉煤灰采用熱電廠Ⅱ級粉煤灰,細骨料為細度模數2.6的中粗砂,粗骨料采用5～20 mm連續級配機制碎石,水采用本地自來水。以洺河渡槽混凝土原配合比進行力學試驗,混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗方案

按照洺河渡槽混凝土原配合比拌和混凝土,澆筑尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件,凝固拆模后置于常溫養護箱（溫度25℃、濕度95%)中養護,養護期為28 d,將養護到齡期的試件進行混凝土物理力學及熱力學參數測試。選用TAW-2000巖石三軸試驗機對混凝土的抗壓強度及抗拉強度進行測試,采用Hot Disk熱常數分析儀對混凝土的導熱系數及比熱容進行測定,取均值得到表2的物理力學參數。

表2 混凝土物理力學參數

1.3 渡槽運行期受溫度應力影響數值模擬

1.3.1 模型建立

以洺河渡槽的實際工程資料和物理試驗數據為基礎,在ANSYS Workbench中建立洺河渡槽的三維有限元實體模型,見圖1。槽身為三槽一聯矩形結構,詳細尺寸見表3（實體與模型尺寸比為1∶1),槽身為對稱結構,選取模型一半進行計算,在流體與渡槽邊壁接觸的位置設置耦合接觸面,通過耦合接觸面來實現計算過程中流體域與固體域之間應力和熱量的傳遞［8］。在Mechanical中劃分六面體網格（見圖1),為保證流場在渡槽邊壁處計算的穩定,在流體域和固體域接觸的位置設置膨脹層加密流體域邊壁處的網格［9］。

圖1 渡槽幾何模型與網格劃分

表3 單槽結構實體尺寸 m

1.3.2 工況選取

為研究渡槽過水水位、溫度對渡槽結構的影響［10-11］,選取典型工況半槽水位（3 m)、設計水位（5.662 m)和滿槽水位（6.2 m),對渡槽結構進行熱-流-固耦合數值模擬計算。水位與溫度對應的工況見表4,計算模型如圖2所示。

表4 水位與溫度工況

2 數值模擬結果

2.1 渡槽單受水壓作用的穩定性分析

經過數值模擬計算得出了3種過槽水位條件下渡槽的位移和應力,見圖3～圖5。圖3為過槽水位3 m時渡槽的位移和應力云圖。低水位情況下,水流對邊墻的影響非常微小,位移主要集中在底板上,應力主要集中在底板和邊墻相交處,最大集中應力為2.57 MPa。

圖2 不同工況下的計算模型

圖3 過槽水位為3 m（半槽水位）時渡槽的位移與應力云圖

圖4 為設計水位5.662 m時渡槽的位移和應力云圖。當水位上升后渡槽外部邊墻受水壓力的作用向外側偏移,頂部最大位移量為3 mm；而中槽的邊墻由于兩側均受水壓力作用而抵消位移。由于邊槽外墻的偏移,因此底板和邊墻相交的位置集中應力最大,達到5 MPa左右。

圖4 過槽水位為5.662 m（設計水位）時渡槽的位移與應力云圖

圖5 為滿槽水位6.2 m時渡槽的位移和應力云圖。當水位上升到滿槽水位時,邊槽外墻頂部的位移接近5 mm,而且應力集中區域進一步擴大,外邊墻向外偏移,底板下凹,導致最外側支座處的應力最大,達到了5.6 MPa。

圖5 過槽水位為6.2 m（滿槽水位）時渡槽的位移與應力云圖

計算結果表明,在水位較高時,邊槽的支座是應力集中容易產生破壞的位置,為保證渡槽運行的安全可靠,最外側邊墻與底板相交的位置是需要重點防護的。

2.2 熱-流-固耦合條件下渡槽穩定性分析

渡槽在運行期間必然會受到環境溫度的影響,溫度差異會在混凝土中產生溫度應力,與水壓力耦合共同影響混凝土結構的穩定性［12-13］,見圖6～圖8。圖6為各溫度條件下過槽水位為3 m時渡槽的溫度場云圖和位移變形云圖。溫度由水體向渡槽結構傳遞,中槽的邊壁因為兩側均有水體傳熱,所以溫度與水體相同,而其他邊墻內部溫度擴散則逐漸衰減,直至表面溫度與環境溫度保持一致。過槽水位較低時,受溫度應力的影響,溫度高的地方混凝土膨脹、溫度低的混凝土收縮,這就導致了渡槽表面與水接觸的地方發生形變,溫度差異最大的時候邊壁頂部的變形量達到5 mm。

圖6 過槽水位為3 m時渡槽不同溫度條件下的溫度場與位移云圖

圖7 過槽水位為5.662 m（設計水位）時渡槽不同溫度條件下的溫度場與位移云圖

圖8 過槽水位為6.2 m（滿槽水位）時渡槽不同溫度條件下的溫度場與位移云圖

圖7為3種溫度條件下過槽水位為5.662 m時的溫度云圖和位移變形云圖。該工況下,渡槽變形主要由水壓力和溫度應力共同作用,水壓作用于邊壁內側。當水溫高于氣溫時,邊壁內側膨脹外表收縮,導致渡槽兩側的邊壁向外彎曲,頂部撓度達到4 mm；當氣溫略高于水溫時,外側邊壁有膨脹的趨勢,但在水壓力共同作用下,邊壁的變形得到抵消,撓度減?。划敋鉁胤浅８叩臅r候,與水接觸的邊壁和外側邊壁溫差較大,使得兩側邊壁溫度變形不均勻,邊墻向內側彎曲,頂部的最大撓度值為5.4 mm。

圖8為滿槽水位時的溫度場云圖和位移變形云圖。由于水位升高,因此渡槽內側的邊壁上作用有更大的水壓力,低溫運行時,兩側邊墻向外彎曲,頂部最大撓度達到5.3 mm；當氣溫略高于水溫時,由于水壓力較大,因此邊墻向外側發生了少許偏移；當氣溫遠高于水溫時,邊墻向內部彎曲,相對于設計水位,由于水壓力的增大,因此頂部的撓度減小了1 mm。

對比3種工況下溫度場以及位移云圖發現,渡槽運行期較低水位時主要受溫差產生的溫度應力影響,邊墻會產生向內彎曲變形；水位較高時,冬季邊墻受水壓與溫度場影響會產生向外彎曲變形；春秋季由于水溫與氣溫溫差較小,變形有所緩解,可認為單受水壓作用；夏季氣溫高于水溫,邊墻向內彎曲,頂部最大撓度達到5.4 mm,但水位進一步上升至滿槽時,會使頂部撓度減小1 mm。

3 結 論

（1)渡槽在單受水壓力作用時,應力集中區域為邊墻與底板交界處,邊墻頂部向外移動,邊墻支座易發生破壞；水位上升時,應力集中區域進一步擴大,外側邊墻與底板交界位置需采取有效措施重點防護。

（2)渡槽運行期受水壓、氣溫以及水溫耦合作用,過槽水位較低時,渡槽受溫差產生的溫度應力影響較大,溫差最大時邊墻頂部變形量可達5 mm。過槽水位較高時,當水溫高于氣溫時,受溫度應力與水壓力作用渡槽邊墻向外彎曲,頂部撓度可達5 mm；當水溫與氣溫相差不大時,溫度應力較小,頂部撓度減小,水位上升會使渡槽產生向外的偏移；當氣溫高于水溫時,溫度應力大于水壓力導致邊墻向內側彎曲,頂部最大撓度達到5.4 mm,但水位進一步上升到滿槽水位時,水壓力增大,頂部撓度減小1 mm。