温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响

《温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响南水北调中线工程是世界瞩目的大型跨流域调水工程，涉及了大量的渡槽、倒虹吸、涵洞等建筑物。其中倒虹吸管是输水工程中重要的建筑物，如果外露的钢筋混凝土管段出现裂缝，将给结构带来很大的危害，另外，倒虹吸管受力复杂，结构计算中不仅要考虑管身自重、内水压力、外水压力、土压力、摩擦力、地震作用力等，还需考虑温度应力。　　　　以前对倒虹吸结构配筋时，往往不关注温度应力的影响，或者把温度作用按照其他荷载引起的应力加上一定的百分比来考虑[1]。近年

2、来一系列的数值分析和原型观测资料表明，温度变化是一项非常重要的荷载，在设计结构及配筋计算时，应该考虑温度的作用[2-4]。本文以大型倒虹吸结构为研究对象，利用三维有限元分析软件ANSYS，进行数值分析，深入研究大型倒虹吸结构在没有温度作用、最高温升作用和最高温降作用等情况下，倒虹吸管身混凝土结构的应力状态，及其对倒虹吸混凝土结构的影响。　　本工程由南段倒虹吸、中间明渠和北段倒虹吸三大部分组成，其中南北段倒虹吸由进口检修闸、倒虹吸管、出口节制闸等建筑物组成。南段倒虹吸长1250m，中间明渠长2030m，北段倒虹吸长1055

3、m。倒虹吸管为3孔1联，单孔过水断面尺寸×。管身为预应力混凝土箱形结构，采用1860级高低松弛预应力钢绞线和曲线孔道真空辅助灌浆后张有黏结的预应力混凝土结构，结构尺寸为：底板、顶板及边墙厚度均为，中墙厚度为。倒虹吸断面示意图见图1。　　由于倒虹吸预应力混凝土结构按抗裂设计，因此选用三维有限元弹性计算模型，并考虑地基和混凝土垫层对结构内力分布的影响。混凝土单元采用均化的钢筋混凝土折算弹性模量，不考虑预应力筋对结构刚度的增强作用，预应力钢筋对混凝土的作用力以单元节点通过专用程序施加[5]。在正常使用极限状态下，倒虹吸结构整体

4、应力分析三维有限元数值计算采用ANSYS通用有限元分析软件中的8节点块体元。为简化计算，倒虹吸管两侧原位土和回填土对结构的影响均以外荷载代替[6]。考虑倒虹吸管下部地基土对结构内力分布的影响，由圣维南原理从倒虹吸管底部向下取地下基础厚度为，从倒虹吸管边竖墙向外取10m进行模拟[7-8]。　　在进行温度计算时，以多年平均温度对应的温度场作为初始温度场，最高温升和最大温降时对应的温度场为最终温度场，得到平均温度场相应于最高温升和最高温降时的温差，即为温度应力计算时的荷载。温度应力计算采用热-结构顺序耦合的分析方法，先进行热分

5、析求得渡槽结构的温度场，然后再进行结构分析，将热分析得到的温度场作为荷载加到结构中，从而求得渡槽结构的应力分布。计算温度作用时，温度边界条件为：倒虹吸外侧采用地温，倒虹吸内侧采用水温或者空气温度。　　顶板正应力　　温升条件下的应力分布　　在所有工况荷载作用下，不考虑温度变化时，顶板上表面和下表面均没有出现拉应力，压应力也不大。比较所有工况荷载作用，工况Ⅰ渠道设计水位和工况Ⅲ渠道加大水位条件下，倒虹吸顶板上表面出现了较小的压应力。同时，由表2可知，从工况Ⅰ到工况Ⅶ，倒虹吸内部温度受水温控制，外部温度受地温控制，夏季水温较高

6、，地温相对较低，使得倒虹吸内部温度高于外部温度，温差达℃。这样的温差导致了顶板表面原本压应力不大的边跨跨中小部分区域内均出现了拉应力，其中工况Ⅲ拉应力较大。由图4可知，应力值由无温度变化时的压应力值-，变化为温升时的拉应力值。　　在工况Ⅲ渠道加大水位作用下，温升造成顶板下表面压应力整体趋于增大趋势，最大压应力发生在边跨跨中，最大压应力由无温度变化时的-变化到温升时的-，压应力的增大对结果影响不大。　　温降条件下的应力分布　　对于下表面，当外界气温下降时，比如在冬季12月份时，气温和水温变化较大，地温变化较小，使得倒虹吸管

7、内温度低于管外温度，最大温降为-℃。经分析，在温降情况和荷载作用下，在所有工况中，工况Ⅲ拉应力最大，拉应力大小为。拉应力发生在顶板下表面距离倒虹吸左边缘6～10m范围内，因为该位置处在倒虹吸管顶板与竖墙交接处，因此，应加强此处的构造措施。对于上表面，温降使得压应力值增大，压应力值由原来的-变化到-。　　底板正应力　　温升条件下的应力分布　　所有工况荷载作用下，在不考虑温度变化时，底板上下表面均没有出现拉应力。大部分混凝土在施加预应力的作用下处于受压状态，形成连续受压区，压应力最大值为-。由图6可知，对于底板上表面，温升使

8、得压应力趋于增大趋势，最大压应力为-。由图7可知，在工况Ⅰ长期荷载作用下，温升对底板下表面不利，使底板下表面距离边跨左边缘3～6m范围和距离边跨左边缘～范围内均出现拉应力，拉应力最大值分别为和。对于工况Ⅷ和工况Ⅸ，温升对倒虹吸底板下边缘是不利的，虽然温升值较高，但由于完建期管内无水，减小了内水压力，使得底板下边缘仅出