渡槽运行期间受温度应力影响的稳定性分析

张艳萍，邢红芳，杨德锋，袁周祥，梁 栋

（1.河南水利与环境职业学院，河南郑州450008；2.水利部海委漳卫南运河岳城水库管理局，河北 邯郸056001；3.河北工程大学水电学院，河北 邯郸056038）

在引调水工程中,渡槽作为必不可少的输水建筑物一直发挥着重要作用。由于所处环境温度变化较大,因此其运行期受温差影响所产生的温度应力对大型槽深混凝土结构的稳定性会带来严重威胁。前人研究结果表明,渡槽作为大体积混凝土,结构稳定性受温度影响较为显著［1］,Arrayago 等［2］进行了混凝土桥温度应力分析,提出了用非线性模型预测温度和应力分布,解决了渡槽部分温度应力计算问题；Saatcioglu等［3］总结了渡槽受温度应力影响产生裂缝的控制措施；潘家铮［4-5］为解决大体积混凝土受温度影响导致结构开裂问题,提出了针对温度应力的有限元解法和拆分解法；朱伯芳［6］编制了用于渡槽温度场计算的有限元程序,使得利用计算机分析渡槽稳定性成为一种新的研究方法；中国水利水电科学研究院［7］开发的温度应力仿真系统,成功地用于国内混凝土渡槽的仿真分析计算。但对渡槽运行期受水温以及气温温差产生的温度应力与水压共同作用对结构稳定性产生的影响研究还较少,常常通过埋设应变片来反映结构的位移变化,之后再采取维护措施,较为被动。

为研究渡槽运行期温度应力对结构稳定性产生的影响,以南水北调中线洺河渡槽为研究对象,对其配合比的混凝土进行室内物理试验,得出物理力学参数,以力学参数为基础采用ANSYS有限元软件建立三维数值模型,选取不同温度与水位正交工况进行数值模拟分析,得到渡槽混凝土在热流固三场耦合作用下的温度分布及应力位移变化规律,为渡槽运行维护提供理论参考依据。

1 试验方法

1.1 原材料及配合比

试验采用P.O52.5普通硅酸盐水泥,粉煤灰采用热电厂Ⅱ级粉煤灰,细骨料为细度模数2.6的中粗砂,粗骨料采用5～20 mm连续级配机制碎石,水采用本地自来水。以洺河渡槽混凝土原配合比进行力学试验,混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 试验方案

按照洺河渡槽混凝土原配合比拌和混凝土,浇筑尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件,凝固拆模后置于常温养护箱（温度25℃、湿度95%)中养护,养护期为28 d,将养护到龄期的试件进行混凝土物理力学及热力学参数测试。选用TAW-2000岩石三轴试验机对混凝土的抗压强度及抗拉强度进行测试,采用Hot Disk热常数分析仪对混凝土的导热系数及比热容进行测定,取均值得到表2的物理力学参数。

表2 混凝土物理力学参数

1.3 渡槽运行期受温度应力影响数值模拟

1.3.1 模型建立

以洺河渡槽的实际工程资料和物理试验数据为基础,在ANSYS Workbench中建立洺河渡槽的三维有限元实体模型,见图1。槽身为三槽一联矩形结构,详细尺寸见表3（实体与模型尺寸比为1∶1),槽身为对称结构,选取模型一半进行计算,在流体与渡槽边壁接触的位置设置耦合接触面,通过耦合接触面来实现计算过程中流体域与固体域之间应力和热量的传递［8］。在Mechanical中划分六面体网格（见图1),为保证流场在渡槽边壁处计算的稳定,在流体域和固体域接触的位置设置膨胀层加密流体域边壁处的网格［9］。

图1 渡槽几何模型与网格划分

表3 单槽结构实体尺寸 m

1.3.2 工况选取

为研究渡槽过水水位、温度对渡槽结构的影响［10-11］,选取典型工况半槽水位（3 m)、设计水位（5.662 m)和满槽水位（6.2 m),对渡槽结构进行热-流-固耦合数值模拟计算。水位与温度对应的工况见表4,计算模型如图2所示。

表4 水位与温度工况

2 数值模拟结果

2.1 渡槽单受水压作用的稳定性分析

经过数值模拟计算得出了3种过槽水位条件下渡槽的位移和应力,见图3～图5。图3为过槽水位3 m时渡槽的位移和应力云图。低水位情况下,水流对边墙的影响非常微小,位移主要集中在底板上,应力主要集中在底板和边墙相交处,最大集中应力为2.57 MPa。

图2 不同工况下的计算模型

图3 过槽水位为3 m（半槽水位）时渡槽的位移与应力云图

图4 为设计水位5.662 m时渡槽的位移和应力云图。当水位上升后渡槽外部边墙受水压力的作用向外侧偏移,顶部最大位移量为3 mm；而中槽的边墙由于两侧均受水压力作用而抵消位移。由于边槽外墙的偏移,因此底板和边墙相交的位置集中应力最大,达到5 MPa左右。

图4 过槽水位为5.662 m（设计水位）时渡槽的位移与应力云图

图5 为满槽水位6.2 m时渡槽的位移和应力云图。当水位上升到满槽水位时,边槽外墙顶部的位移接近5 mm,而且应力集中区域进一步扩大,外边墙向外偏移,底板下凹,导致最外侧支座处的应力最大,达到了5.6 MPa。

图5 过槽水位为6.2 m（满槽水位）时渡槽的位移与应力云图

计算结果表明,在水位较高时,边槽的支座是应力集中容易产生破坏的位置,为保证渡槽运行的安全可靠,最外侧边墙与底板相交的位置是需要重点防护的。

2.2 热-流-固耦合条件下渡槽稳定性分析

渡槽在运行期间必然会受到环境温度的影响,温度差异会在混凝土中产生温度应力,与水压力耦合共同影响混凝土结构的稳定性［12-13］,见图6～图8。图6为各温度条件下过槽水位为3 m时渡槽的温度场云图和位移变形云图。温度由水体向渡槽结构传递,中槽的边壁因为两侧均有水体传热,所以温度与水体相同,而其他边墙内部温度扩散则逐渐衰减,直至表面温度与环境温度保持一致。过槽水位较低时,受温度应力的影响,温度高的地方混凝土膨胀、温度低的混凝土收缩,这就导致了渡槽表面与水接触的地方发生形变,温度差异最大的时候边壁顶部的变形量达到5 mm。

图6 过槽水位为3 m时渡槽不同温度条件下的温度场与位移云图

图7 过槽水位为5.662 m（设计水位）时渡槽不同温度条件下的温度场与位移云图

图8 过槽水位为6.2 m（满槽水位）时渡槽不同温度条件下的温度场与位移云图

图7为3种温度条件下过槽水位为5.662 m时的温度云图和位移变形云图。该工况下,渡槽变形主要由水压力和温度应力共同作用,水压作用于边壁内侧。当水温高于气温时,边壁内侧膨胀外表收缩,导致渡槽两侧的边壁向外弯曲,顶部挠度达到4 mm；当气温略高于水温时,外侧边壁有膨胀的趋势,但在水压力共同作用下,边壁的变形得到抵消,挠度减小；当气温非常高的时候,与水接触的边壁和外侧边壁温差较大,使得两侧边壁温度变形不均匀,边墙向内侧弯曲,顶部的最大挠度值为5.4 mm。

图8为满槽水位时的温度场云图和位移变形云图。由于水位升高,因此渡槽内侧的边壁上作用有更大的水压力,低温运行时,两侧边墙向外弯曲,顶部最大挠度达到5.3 mm；当气温略高于水温时,由于水压力较大,因此边墙向外侧发生了少许偏移；当气温远高于水温时,边墙向内部弯曲,相对于设计水位,由于水压力的增大,因此顶部的挠度减小了1 mm。

对比3种工况下温度场以及位移云图发现,渡槽运行期较低水位时主要受温差产生的温度应力影响,边墙会产生向内弯曲变形；水位较高时,冬季边墙受水压与温度场影响会产生向外弯曲变形；春秋季由于水温与气温温差较小,变形有所缓解,可认为单受水压作用；夏季气温高于水温,边墙向内弯曲,顶部最大挠度达到5.4 mm,但水位进一步上升至满槽时,会使顶部挠度减小1 mm。

3 结 论

（1)渡槽在单受水压力作用时,应力集中区域为边墙与底板交界处,边墙顶部向外移动,边墙支座易发生破坏；水位上升时,应力集中区域进一步扩大,外侧边墙与底板交界位置需采取有效措施重点防护。

（2)渡槽运行期受水压、气温以及水温耦合作用,过槽水位较低时,渡槽受温差产生的温度应力影响较大,温差最大时边墙顶部变形量可达5 mm。过槽水位较高时,当水温高于气温时,受温度应力与水压力作用渡槽边墙向外弯曲,顶部挠度可达5 mm；当水温与气温相差不大时,温度应力较小,顶部挠度减小,水位上升会使渡槽产生向外的偏移；当气温高于水温时,温度应力大于水压力导致边墙向内侧弯曲,顶部最大挠度达到5.4 mm,但水位进一步上升到满槽水位时,水压力增大,顶部挠度减小1 mm。