预应力渡槽边界条件计算分析

□王 磊(黄河勘测规划设计有限公司)

□佟 帅(南水北调河南直管建管局)

文中选用的算例是南水北调中线工程黄河北段上的一座预应力排水渡槽，走向为东西方向。渡槽所处地域风压为0.4 kN/m2，空气温度每月最高约33.6℃，空气温度每月最低约-3.8℃，空气温度年平均为16.8℃。此处排水渡槽为单幅跨度约20.89m，为6.0m×5.15m矩形断面结构，受力边梁和受力中梁均为1.0m×1.2m，渡槽底板厚度0.6m，受力边墙厚度为0.7m，受力中墙厚度为0.8m。

1.太阳辐射强度考虑

1.1 太阳赤纬角

渡槽所受太阳辐射强度变化与其所在地区、时间、方位等都有十分重要的联系。

其计算公式为：

注：N取1（一月一日），按次序增加。

1.2 地方太阳时

在渡槽所受太阳辐射的计算中，地方太阳时是十分重要的参数；另外，在计算分析中一般采用地方气象站提供的太阳辐射资料基本使用地方太阳时。文中计算对象的地理位置为东经115°，北纬 39°。 计算公式如下：

Sd=S+[F-(120°-JD)×4]/60

注：S为小时数（北京时间）；F为分钟数（北京时间）；Sd为太阳时（计算对象所在区域）；JD为经度（计算对象所在区域）。

1.3 太阳时角

根据相关规范规定，地球自转速度为15°/h，零度为每天正午12时。

1.4 边界上太阳辐射强度的处理

由于自然条件的原因，对于太阳辐射渡槽存在向光和背光情况存在，渡槽的顶部、边墙、底板等均有不同的影响，渡槽的顶部、南边墙基本处于阳光的直射和散射的范围影响、散射影响，阳光的散射影响范围只有渡槽北边墙、中墙和南边墙，而渡槽的北边墙、中墙和底板上所受的太阳辐射应该针对太阳高度以及与渡槽的照射角度来计算。

1.5 辐射强度的计算

一般情况下，在针对预应力渡槽边界条件的计算过程中需要对太阳的对渡槽的辐射量进一步的精确计算，但是由于一方面，从地方气象部门得到的资料过于笼统；另一方面因为季节的不同、天气状况的变化、地理位置的更换、气候的差异等多方面的原因，渡槽所受的辐射量变化较大；所以，只有通过对计算对象的具体情况加以分析，并结合用太阳直射通量、强度；太阳散射通量、强度曲线的分析计算。

从图1～图4可知，利用地方气象部门的资料通过计算可知太阳的直射强度和散射强度分别为太阳光线射入和其在水平方向上的强度，另外利用公式：

图1 太阳累计直射通量曲线图

图2 太阳直射强度图

图3 太阳累计散射通量曲线图

图4 太阳散射强度图

计算出该渡槽从6:00-18:00时间段中每小时各边界所受的太阳辐射强度，其中 （单位：W/m2)：顶面所受辐射强度为20、130、309、530、747、909、976、933、792、588、371、187、63； 南边墙外 表面所受辐射 强 度 为 29、68、56、88、86、269、308、293、231、147、71、69、34；北边墙外表面所受辐射强度为 3、17、31、43、54、63、69、73、73、70、61、48、28；拐角面所受辐射强度为 27、80、82、137、328、595、860、750、457、244、117、105、53。

2.大气温度的考虑

对于渡槽来说，其本身温度变化除了要受到太阳热辐射的原因之外，另外一个重要的影响条件是渡槽所处环境的温度变化；由于多方面的原因，渡槽本身温度会与环境温度产生差异，甚至渡槽本身也由于不伟大不同造成一定的温度差异，所以渡槽结构周围环境温度场的考虑对渡槽边界条件的计算式是至关重要的，如图5所示。

图5 箱梁外界气温变化图

通过分析可知，与其他结构相比，在针对渡槽的环境温度变化的计算过程中一般可以认为：

2.1 空槽工况：由于渡槽顶面和南边墙外表面在阳光直接照射情况下，所以计算过程中的温度采用的是桥梁箱梁结构的顶面温度；而由于，处于一直处于背光状态下，渡槽北边墙外表面、中墙和南边墙背阳面、底板下表面等温度采用桥梁箱梁结构的大气温度；另外，针对处于阳光照射变化范围内的北边墙和中墙向阳面、底板上表面，则分别认为直接照射情况下，计算过程中的温度采用的是桥梁箱梁结构的顶面温度；背光状态下，渡槽北边墙外表面、中墙和南边墙背阳面、底板下表面等温度采用桥梁箱梁结构的大气温度。

2.2 满槽和设计工况：渡槽过水表面不考虑气温影响，其余表面参照空槽工况情况。

3.热交换系数

3.1 对流换热系数

当风速ν≤5.0m/s时，对流热交换系数按照下式进行计算：

3.2 辐射换热系数

其关系如图6：

图 6 hr与 Ts、Ta关系图

3.3 冬季热交换系数

由于冬季风速＞5m/s。所以，根据风速的不同采用不同数值，如：风速(m/s)在 0～5 范围内，分别为 0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 时，hr(W/m2·℃)相应为 9.4、13.2、16.8、20.6、24.3、28；风速(m/s)在 6～10 范围内，分别为 6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 时，hr(W/m2·℃)相应为31.7、35.4、39.1、42.8、46.5；

4.结论

分析计算预应力排水渡槽在太阳辐射和大气温度场变化对预应力渡槽的影响，针对渡槽在不同时间和阳光辐射状况下单位时间段内辐射量的变化进行了计算，从而对在阳光直射、散射以及环境温度交换等条件因素预应力渡槽边界条件计算分析进行了一定的研究与探讨。

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