温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响.doc

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1、温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响-结构理论温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响摘要：预应力混凝土倒虹吸结构是一个受力状况复杂的大体积混凝土结构，在温度变化作用下，其应力状态难以确定。为此，运用三维有限元对倒虹吸结构进行了数值分析，确定其在无温度变化、最大温升、最大温降情况下9种工况的应力分布状态。结果表明，在各种设计工况荷载作用下，无温度变化时，预应力混凝土倒虹吸结构均没有产生拉应力；但在温度变化时，工况Ⅰ和工况Ⅲ均产生了较大的拉应力。其中，在温升情况下，工况Ⅰ底板下表面和工况Ⅲ顶板上表面产生拉

2、应力大小分别为1.53MPa和1.72MPa；在温降情况下，工况Ⅰ边墙内侧、工况Ⅲ顶板下表面、工况Ⅲ底板上表面和工况Ⅲ边墙内侧产生拉应力大小分别为1.36MPa、1.77MPa、1.85MPa和1.65MPa。因此，温度变化对倒虹吸结构的影响是不容忽视的。　　关键词：温度变化；倒虹吸；温升；温降；有限元分析　　中图分类号：TV672.3文献标识码：A文章编号：1672-1683（2013）04-0196-04　　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

3、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

4、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。　　1工程概况　　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（或检修闸）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1055m。倒虹吸管为3孔1联，单孔过水断面尺寸（高×宽）6.6m×6.5m。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

5、结构，结构尺寸为：底板、顶板及边墙厚度均为1.0m，中墙厚度为0.8m。倒虹吸断面示意图见图1。　　2.6倒虹吸结构应力分析的三维有限元模型　　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

6、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5.0m，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

7、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（有水工况）或者空气温度（无水工况）。　　3有限元结果分析　　3.1顶板正应力　　3.1.1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（最高地下水位）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，

8、地温（倒虹吸管身埋于地下）相对较低，使得倒虹吸内部温度高于外部温度，温差达10.1℃。这样的温差导致了顶板表面原本压应力不大的边跨跨中（工况Ⅰ和工况Ⅲ）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-1.76MPa，变化为温升时的拉应力值1.72MPa。　　在工况Ⅲ渠道加大水位作用下，