大型U 型渡槽正常运行期寒潮降温影响分析

2011-11-05赵海涛王潘绣

山西建筑 2011年36期

姚雄赵海涛王潘绣

大型渡槽在运行期遭遇到环境气温突变时(如日照、暴雨和寒潮)，会导致渡槽混凝土较大内外温差及温度梯度［1］。尤其在运行期秋冬季节，槽内有水且水温基本恒定，寒潮会使槽壁与空气接触的外表面的温度快速下降，槽壁内外的温度差急剧增大。在较大内外温差作用下渡槽槽身可能开裂，破坏渡槽结构的整体性，改变槽身的受力条件，使渡槽产生渗漏［2］。本文针对大型U型渡槽在寒潮降温过程不同降温幅度和降温速率下的温度场分析，总结了不同寒潮工况下的渡槽温度场分布规律，指出在渡槽秋冬季节可采取保温措施以抵御寒潮袭击。

1 渡槽寒潮期温度场分析

1.1 计算模型

某大型预应力混凝土U型渡槽，以槽身一跨为研究对象，单跨40 m，内径8 m，宽9.3 m［3］，取跨度方向一半建立仿真计算模型，如图1所示，共划分26 774个节点，20 432个单元。计算所采用直角坐标系为:坐标原点选在渡槽端部拉杆顶部对称点，X轴为垂直于渡槽水流的水平方向，Y轴为铅垂向上，Z轴沿渡槽水流方向。温度场计算时假定计算域支座底面、计算域对称面为绝热边界，其他面为散热边界，按第三类边界条件处理。

1.2 计算参数

混凝土主要热学参数如表1所示。

表1 混凝土主要热学参数

计算时水温取4℃，寒潮在6 h内降温10℃，之后气温保持日气温，则:T(t)=T+5.0×cos。其中，T(t)为一天中t时刻气温值，℃;T为降温结束时的外界气温，℃;t0为一天中气温最高的时刻，一般取14:00;t为当前计算时刻。

1.3 温度场计算结果分析

取U型渡槽运行期秋冬季通水状态，水位高度5.8 m，计算分析开始降温后3 d的渡槽温度场，计算时间步长为1 h。

渡槽在正常运行期秋冬季遭遇环境急剧降低，其底板、侧墙和翼缘外表面与外界环境接触，温度随气温的降低而降低，但降温幅度小于外界环境温度，降温速度也略滞后于环境气温(如图2所示)。图3为渡槽在降温结束时刻(即开始降温后6 h)、开始降温后30 h以及72 h的温度云图。结果表明，渡槽内表面与水直接接触，可以认为温度保持水温4℃不变。但外表面受环境降温影响急剧降低，温度变化规律基本同外界气温，造成渡槽内外较大温差。降温结束时刻，渡槽内外温差为6℃，滞后于外界气温降温幅度，随着时间的推移，外界气温维持在－14℃左右，渡槽外表面最低温度在降温结束后24 h为－12.81℃。其中，渡槽底板内外温差最大约为10.5℃，侧墙内外温差为8.9℃(如图4所示)，可能导致结构表面应力过大而出现开裂。

2 降温幅度对渡槽温度场的影响

为了比较不同降温幅度对渡槽温度分布情况的影响，拟定降温5℃/6 h，10℃/6 h，15℃/6 h三种计算工况。图4中降温开始后渡槽底板内外温差均高于侧墙内外温差，故对降温幅度和降温速率的敏感性分析均针对渡槽底板。

不同降温幅度下渡槽底板内外温差如图5所示，由图5可见，不同降温幅度下，渡槽底板内外温差变化规律基本相同，降温初期随外界环境的下降而快速增大，在降温结束后随气温呈正弦波动变化。降温幅度越大，渡槽结构外表面温降速率及温降幅度越大，内外温差越大，温度分布的非线性程度越高，温度梯度也越大(如图6所示)。当降温幅度为15℃时，渡槽底板内外温差达到14.4℃，可能导致渡槽出现裂缝进而影响渡槽的正常使用。

3 降温速率对渡槽温度场的影响

为了比较不同降温幅度对渡槽温度分布情况的影响，拟定降温10℃/3 h，10℃/6 h，10℃/9 h三种计算工况。不同降温速率下渡槽底板内外温差如图7所示。不同的寒潮降温速率，渡槽结构表面最大温度降温基本一致，尤其在降温结束24 h后，三种工况下底板外表面温度时程完全相同，均随外界气温呈正弦变化规律。但降温早期温降速率越大，渡槽结构表面温度下降越快，降幅也越大，温度分布的非线性程度越高，温度梯度越大(如图8所示)。因此温降速率越大，降温早期开裂可能性越大。