倒虹吸地涵受温度作用影响的有限元分析-论文.pdf

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1、第24051卷4第年l74月期人民长江Vo1．45．No．14YangtzeRiverJuly，2014文章编号：1001—4179(2014J14—0097—05倒虹吸地涵受温度作用影响的有限元分析蒋伯杰，郑人逢2，宫必宁2(1．广东水利电力职业技术学院，广东广州510635；2．河海大学水利水电学院，江苏南京210098)摘要：以南水北调中线工程某倒虹吸结构为研究对象，利用ADINA有限元软件稳态、瞬态温度模块，计算分析了水温变化形式和加载速率对倒虹吸结构温度场的影响规律，同时借助温度一结构模块，对倒虹吸结构应力、变形与温度变化之间的关系进行了研究。结果表明，对于倒虹吸这类管壁较薄

2、结构，环境温度可近似简化为线性变化；在考虑初始温度场以及水温变化速率的条件后，结构内外表面实际最大温差与设计中采用的水温与地温最大温差之间存在一定差异；当水温高于地温时，倒虹吸结构会随着水温的升高出现向外膨胀趋势。这将对结构整体受力产生不利影响；当水温低于地温时，倒虹吸结构会随着水温的降低出现向内收缩趋势，左右侧墙向内的收缩阻止了顶板向内的收缩，这在一定程度上对结构产生有利影响。关键词：倒虹吸地涵；温度场；温度作用；数值模拟中图法分类号：TV67文献标志码：A作用时，常规的做法是沿管壁厚度方向通过线性内插1工程背景或其它内插的方式进行温度作用计算，这样计算的缺南水北调中线工程中某倒虹吸

3、主要结构物按1级点有两方面：一是没有考虑初始温度场，二是没有考虑建筑物设计。工程包括进口渠道50m、南段倒虹吸段温度发生变化的过程。另外现行倒虹吸结构的设计，1250m、中间明渠段2030Yn、北段倒虹吸段1055133_、往往取地温与水温的最大温差作为倒虹吸结构内外表出口渠道10m。其中北段倒虹吸埋管段长870m，倒面的温差进行计算分析，而实际情况是，倒虹吸结构在虹吸管进、出口斜管分别长为12．5，17．5nl，采用三孔一定的水温与地温作用下首先达到一个平衡状态，在一联的预应力钢筋混凝土箱形结构，倒虹吸过水断面此基础上水温或地温才进一步发生变化。本文就是针尺寸为6．6m×6．5m(高

4、×宽)，倒虹吸结构以及土层对以上计算方法存在的缺陷，提出利用ADINA有限元简化如图1所示。软件的热分析模块、结构分析模块来模拟变化的温度场并计算温度应力和变形。2有限元模型及计算条件Ili倒虹吸结构作为地下结构中的一类，温度荷载主中砂层要来自地温、水温、气温等，其中气温并未直接作用在倒虹吸结构上，而是通过影响水温间接影响倒虹吸结图1倒虹吸结构及土层简图构。该倒虹吸结构所在地的实测温度资料如表1，2所正确计算分析混凝土结构温度应力对工程设计十示。分重要，以往对温度场的研究多集中于大体积混凝土由表1可知，大地温度在一年中的变幅较小，在较结构或桥梁结构，对于倒虹吸这种管壁较薄的地下结短时间

5、内可以看成恒定温度。另外相邻月份之间水温构研究相对较少。利用有限元理论计算薄壁结构温度变幅最大为7．2℃(4月与5月)与一7．1oC(10月与收稿日期：2014—06—15作者简介：蒋伯杰，男，高级工程师，研究方向为水利水电建筑工程及水资源。E—mail：1437352522@qq．corn第】4期蒋伯杰，等：倒虹吸地涵受温度作用影响的有限元分析99p＼赡s!∞∞抖船加m¨外，为了研究不同温度加载速率对结构温度场的影响，3．2．1加载方式对温度场影响分析分别研究了水温变化历时8，4，lh三种情况。本文中的倒虹吸结构沿管轴方向截面形式没有发生变化，三维温度场分析可以不考虑沿管轴方向的变化

6、。鉴于此，取典型断面进行温度场分析，具体如图4所示。鉴于篇幅有限，仅给出温升情况结果，温降情况与温升规律一致，不再赘述。B断面ALv4断面c断面图4温厦场分析截面由图5可知，沿倒虹吸厚度方向温度梯度总体呈递增趋势。在考虑初始温度场情况下，线性加载温升工况下的倒虹吸内外表面温差最大值出现在B断面l8(3．46℃，8h)。余弦曲线加载温升工况下的倒虹吸I614内外表面温差最大值出现在B断面(3．41cC，7．5h)，p12越10两种加载方式最大温差相差0．05oC。由此可以看出，蜞86对于倒虹吸这类薄壁结构，温度加载方式按照线性或42余弦曲线区别不大。由表2可知，7月份水温与地温0最大温差

7、为10．1cI=，再算上水温的变化，最大温差为15．1oC，由此可以看出，若按现有设计不考虑初始温l8度场而直接用温差计算，则倒虹吸薄壁结构温度应力16l4计算与实际情况存在偏差。D12加3．2．2加载速率对温度场影响分析86对应于1，4，8h的水温变化历时，倒虹吸结构温42升工况下外表面最大温差分别为4．54oC，3．70oC，03．46~C。这表明，水温加载速率越快，倒虹吸结构内外时间／h(d)余弦温降表面温度梯度越大。设计为了偏于安全，在