预应力U形薄壳渡槽温度效应分析

罗 涛，郝明辉，，晏小峰，谢红强

(1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610071；2.四川大学水利水电学院，成都，610065)

0 引言

我国水土资源时空分布差别很大，为缓解各地用水紧张局面实施了以南水北调、引江济淮等为代表的多项大型引调水工程[1]。随着引调水工程规模的逐渐增大，渡槽的过水断面、跨度、高度等结构尺寸也随之增大，大跨度U形预应力薄壁渡槽因其截面经济在调水工程中广泛应用[1-2]。

在混凝土结构工程中，可能由于各种原因出现结构裂缝，而水工建筑物存在结构体积大，受环境影响，热传导性差的特点[3]，故温度应力在水工建筑物裂缝产生中起重要作用。渡槽温度场特点为内壁与动水接触，外壁受大气温度、日照等因素影响[4]，其温度荷载较为复杂。朱文婷等[5]对南水北调中线一期干线工程湍河渡槽原型的温度应力进行了观测，发现当日变化温度为10℃时，渡槽表面的环向应力变化幅值约为0.8MPa，纵向应力变化幅值约为1.0MPa；陈守开等[6]对南水北调中线总干渠上渡槽进行了三维有限元分析，也发现在昼夜温差作用下薄壁混凝土结构的温度应力的波动范围可达0.3MPa～1.9MPa；冯晓波等[7]对渡槽温度应力进行了计算，发现槽身在夏季、冬季工况下的最大主应力分别为1.46MPa、1.24MPa。综上，渡槽运行期的温度应力可能会超过混凝土抗拉强度，必须对其进行计算复核并采取相应的预防措施。

本文以亭子口灌区工程预应力U形薄壳渡槽为研究对象，重点研究了夏季输水内外温差以及遭遇寒潮工况下槽身的温度场、应力场以及变形，并基于计算结果探讨了温度作用下槽壳抗裂措施，并对后续研究趋势和方向进行了展望，以期为后续工程的设计提供参考。

1 亭子口灌区U形预应力薄壳渡槽

1.1 工程概况

亭子口灌区工程设计灌溉面积24.76万hm2，并为灌区内91个乡镇(包括4座县城)的生活和工业用水提供水源保障。其一期工程总干渠上共布置有22座渡槽，渡槽设计流量76.2m3/s～41.2m3/s，初步设计拟采用U形预应力薄壳渡槽，建筑物级别为2级。

1.2 温度边界条件

自然环境中的渡槽温度场非常复杂，主要受太阳辐射和季节变化的影响[8]。渡槽温度场的影响因素如图1所示。水边界的温度可根据水库条件以及渠首取水方式确定。大气边界则受到地理位置、太阳辐射、大气对流以及季节变化等多种因素的影响，难以精确地描述[9]。工程设计的任务是根据实测资料和理论对渡槽温度边界做合理推算，重点是确定极限边界条件，故在渡槽设计过程中并未纠结于大气边界的精细模拟，而是采用较为简单的公式对其进行估算。

图1 渡槽温度场的影响因素示意

1.2.1 水温边界

亭子口水利枢纽灌区取水口如图2所示。库水水温结构为过渡型，4月至9月期间水库出现稳定的温度分层现象，温跃层深度与厚度的变化较大；10月至次年3月，水库上下层水温基本一致。根据环评报告，与天然水温相比，左岸灌溉取水口丰水年最大温降2.1℃，平水年最大温降1.8℃，枯水年最大温降0.4℃。分层取水后，与天然水温相比，左岸灌溉取水口丰水年最大温降1.8℃，平水年最大温降1.6℃，枯水年最大温降0.4℃。考虑到坝址区多年平均气温16.6℃，多年平均水温15.5℃[10]，因此，决定将夏季槽内水温与气温最大温差确定为3.2℃，冬季水温气温一致。

图2 亭子口灌区一期工程取水口

1.2.2 气温边界

根据亭子口灌区内主要气象代表站实测资料统计，区内多年平均气温15.6℃～17.6℃，最冷为1月，平均气温5.1℃～6.8℃，极端最低气温-3.6℃～-2.2℃，最热7-8月，平均气温25.5℃～27.4℃，极端最高气温36.8℃～42.7℃。参照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，亭子口灌区渡槽结构整体温度降低标准确定为6.8℃，整体温度升高最大值确定为6.4℃。寒潮指日平均气温在数日内急剧下降的现象，南方采用的寒潮标准是：24h降温8℃以上，或48h降温10℃以上，同时最低温度低于5℃。根据亭子口灌区取水和运行方式，遭遇寒潮时假设槽内水温不变，外壁温降为8℃。

1.2.3 日照引起的槽身表面温度增量

渡槽混凝土表面吸收的热量部分来源于太阳辐射，从而导致槽身混凝土表面温度将高于气温[8]。根据文献[8]，当混凝土与空气接触时，属于第三类边界条件，各月因日照引起的气温增高值如表1所示。

表1 灌区晴天太阳辐射热S0及气温增高ΔT的月平均值

1.2.4 渡槽温度作用边界条件

考虑到亭子口采用分层取水方案，夏季输水时槽内水与气温最大温差为3.2℃，因日照引起的槽身外壁最大温升阳面为9.2℃，阴面为4.6℃，在这种情况下，槽内外温差为阳面12.4℃，阴面7.8℃。冬季寒潮期输水工况，渡槽属于薄壳结构且取表层水时，冬季槽内水温与气温基本一致，在遭遇寒潮时，考虑外壁降低8℃。

1.3 有限元分析模型

选取亭子口灌区一期工程桐子坝渡槽42m跨度槽身开展温度应力、变形分析，其槽身横截面为U型截面，槽身总高度6.37m，壁厚0.35m，圆弧段内壁半径为3.55m，直壁段高1.97m；槽身底部混凝土加厚区厚0.8m，加厚区侧壁与水平面呈52°。图3为计算有限元模型，模型共98454个单元，109046个节点，混凝土材料用solid45单元模拟，预应力钢绞线用link8单元模拟。

(a)槽身整体模型

根据渡槽设计方案，槽身支座两端施加位移约束。对于内外温差工况，将槽内壁过水断面表面节点温度设为水温，环境温度及槽身外表面节点温度设置为气温，模拟夏季高气温与槽内低温水体同时作用的温度荷载条件。计算过程中，不考虑槽内水体与空气的热对流，仅研究水体与钢筋混凝土槽身温度差引发的温度应力分布规律。

1.4 分析参数

桐子坝渡槽槽身材料采用C50混凝土和极限强度标准值1860MPa的钢绞线，其计算参数取值见表2。

表2 结构材料计算参数

2 梯度温差作用下渡槽有限元分析

2.1 日照温差对槽身结构的影响

按照第1节的边界条件分析，夏季输水时槽内水与气温最大温差为3.2℃，因日照引起的槽身外壁最大温升阳面为9.2℃，阴面为4.6℃，在这种情况下槽内外温差为阳面12.4℃，阴面7.8℃。将槽内壁过水断面表面节点温度设为水温，环境温度及槽身阳面、阴面节点温度设置为对应的温度，形成对应的内外温差。

2.1.1 日照变形分析

图4为渡槽在日照作用下的变形云图，其中展示一侧为日照阳面。可见在日照作用下，渡槽横槽向变形呈现槽壁向外扩张、槽身伸长，且日照阳面伸长更加显著的特点，其横槽向最大位移1.011mm，出现于槽身日照阳面顶部；渡槽顺槽向变形呈现槽身整体沿上下游方向伸长，日照阳面伸长更加显著的特点，其顺槽向最大位移1.654mm，出现于槽身日照阳面上下游两端；渡槽高程向变形呈现槽身高程整体升高，中截面阴面升高更加显著的特点，其高程向最大位移1.332mm，出现于渡槽中截面阴面顶部。

(a)横槽x向

2.1.2 日照应力分析

图5为日照作用下渡槽跨中截面各应力云图(拉正压负)，其中右侧为日照阳面。可见在日照作用下，槽身第一主应力极值为3.22MPa，出现于槽身日照阳面内壁，槽身内壁均处于受拉状态；横槽x方向拉应力极值为1.67MPa出现于槽身日照阳面内壁，横槽x方向压应力极值1.43MPa，出现于拉应力极值的对应外壁位置；高程y方向拉应力极值为2.31MPa出现于槽身两侧顶部，高程y方向压应力极值2.13MPa，出现于拉应力极值的对应外壁位置；顺槽z方向拉应力极值为3.22MPa，出现于槽身日照阳面内壁顶部。可见，日照内外温差作用下，槽身内部浅表面拉应力量值较大，超过了混凝土的抗拉强度，若考虑结构荷载引起的应力，拉应力量值将进一步增大，因此，渡槽内壁可能出现浅表裂缝。

(a)第一主应力

2.2 遭遇寒潮对槽身结构的影响

按照第1节的边界条件分析，在遭遇寒潮时，考虑外壁降低8℃。将槽内壁过水断面表面节点温度设为水温，渡槽外壁温度为寒潮气温，形成8℃的内外温差。

2.2.1 寒潮变形分析

图6为渡槽在寒潮作用下的变形云图，可见在寒潮作用下，渡槽横槽向变形呈现槽壁向内收缩、槽身缩短的特点，其横槽向最大位移达0.299mm，出现于槽身两侧顶部；渡槽顺槽向变形呈现槽身整体沿上下游方向缩短，槽身上部较下部变形更加显著的特点，其顺槽向最大位移达1.007mm，出现于槽身两侧上下游两端；渡槽高程向变形呈现槽身高程整体下降，中截面变形更加显著的特点，其高程向最大位移达0.772mm，出现于渡槽中截面两侧顶部。

(a)横槽x向

2.2.2 寒潮应力分析

图7为寒潮作用下渡槽跨中截面各应力云图(拉正压负)，可见在寒潮作用下，槽身第一主应力极值为1.96MPa出现于槽身外壁，槽身内壁均处于受压状态；横槽x方向拉应力极值为0.99MPa，出现于槽身外壁中下部，横槽x方向压应力极值1.18MPa，出现于拉应力极值的对应内壁位置；高程y方向拉应力极值为1.50MPa，出现于槽身外壁中部，高程y方向压应力极值1.62MPa，出现于拉应力极值的对应内壁位置；顺槽z方向拉应力极值为1.29MPa出现于槽身外壁底部，顺槽z方向压应力极值为2.04MPa，出现于槽身内壁顶部位置。可见，寒潮内外温差影响下，槽身外壁的拉应力最大值约为1.96MPa，若进一步考虑结构荷载引起的应力，可以在一定程度上消除槽身外壁的温度拉应力，槽身外壁产生拉裂缝的可能性较小。

(a)第一主应力

3 渡槽温度作用及抗裂措施探讨

由第2节分析可知，在夏季日照作用、冬季寒潮作用下，渡槽会产生较大的温度应力，最大拉应力可达3.22MPa，如此大的温度应力可能会成为渡槽运行期的安全隐患。如何对极端条件下的温度应力所产生的浅表裂纹进行有效控制，是工程中值得探讨研究的问题。为避免温度应力危及渡槽工程安全运行，可考虑采用以下混凝土抗裂措施：

(1)采用高抗拉强度的特殊建筑材料，如纤维混凝土；

(2)加强渡槽施工过程管理，提升施工质量及养护质量，尽量避免在高温或气温骤降天气进行施工浇筑作业；

(3)根据数值计算中的温度应力分布特性，对混凝土内部的钢筋布置进行优化设计，以确定经济可行、安全性高的钢筋布置方案；

(4)进行渡槽温度及裂缝监测，一旦出现初期裂缝，应及时对裂缝进行修复处理，防止裂缝进一步扩展。

4 结论与展望

通过对渡槽不同气候条件下进行温度应力计算，可得到以下结论：

(1)夏季日照作用下，渡槽的变形呈现日照阳面横槽向外张、顺槽向伸长更明显的变形特点。在应力分布方面，日照作用下各方向拉应力均出现于日照阳面槽身内壁，本文荷载条件下(日照侧温升12.4℃，阴面侧温升7.8℃)渡槽最大拉应力为3.22MPa，出现于日照侧槽身内壁顶部。

(2)冬季寒潮作用下，槽身呈现整体收缩变形规律。寒潮作用下(外壁温度较水温下降8℃)，渡槽最大拉应力为1.96MPa，出现于槽身外壁中下部。

(3)夏季暴晒及冬季严寒条件下，温度应力可能会影响渡槽的安全运行。为了预防由于温度应力引起的槽身表面裂缝，可以采用恰当的抗裂措施，如选用掺入特殊材料的高抗拉强度混凝土、加强施工质量及养护质量管理、利用有限元计算对槽身钢筋布置进行优化设计、开展温度监测及裂缝检测等。