張艷萍，邢紅芳，楊德鋒，袁周祥，梁 棟

（1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，河南鄭州450008；2.水利部海委漳衛(wèi)南運(yùn)河岳城水庫(kù)管理局，河北 邯鄲056001；3.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北 邯鄲056038）

在引調(diào)水工程中,渡槽作為必不可少的輸水建筑物一直發(fā)揮著重要作用。由于所處環(huán)境溫度變化較大,因此其運(yùn)行期受溫差影響所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對(duì)大型槽深混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。前人研究結(jié)果表明,渡槽作為大體積混凝土,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受溫度影響較為顯著［1］,Arrayago 等［2］進(jìn)行了混凝土橋溫度應(yīng)力分析,提出了用非線性模型預(yù)測(cè)溫度和應(yīng)力分布,解決了渡槽部分溫度應(yīng)力計(jì)算問(wèn)題；Saatcioglu等［3］總結(jié)了渡槽受溫度應(yīng)力影響產(chǎn)生裂縫的控制措施；潘家錚［4-5］為解決大體積混凝土受溫度影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂問(wèn)題,提出了針對(duì)溫度應(yīng)力的有限元解法和拆分解法；朱伯芳［6］編制了用于渡槽溫度場(chǎng)計(jì)算的有限元程序,使得利用計(jì)算機(jī)分析渡槽穩(wěn)定性成為一種新的研究方法；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院［7］開(kāi)發(fā)的溫度應(yīng)力仿真系統(tǒng),成功地用于國(guó)內(nèi)混凝土渡槽的仿真分析計(jì)算。但對(duì)渡槽運(yùn)行期受水溫以及氣溫溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與水壓共同作用對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響研究還較少,常常通過(guò)埋設(shè)應(yīng)變片來(lái)反映結(jié)構(gòu)的位移變化,之后再采取維護(hù)措施,較為被動(dòng)。

為研究渡槽運(yùn)行期溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響,以南水北調(diào)中線洺河渡槽為研究對(duì)象,對(duì)其配合比的混凝土進(jìn)行室內(nèi)物理試驗(yàn),得出物理力學(xué)參數(shù),以力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)采用ANSYS有限元軟件建立三維數(shù)值模型,選取不同溫度與水位正交工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到渡槽混凝土在熱流固三場(chǎng)耦合作用下的溫度分布及應(yīng)力位移變化規(guī)律,為渡槽運(yùn)行維護(hù)提供理論參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料及配合比

試驗(yàn)采用P.O52.5普通硅酸鹽水泥,粉煤灰采用熱電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰,細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.6的中粗砂,粗骨料采用5～20 mm連續(xù)級(jí)配機(jī)制碎石,水采用本地自來(lái)水。以洺河渡槽混凝土原配合比進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比 kg/m3

1.2 試驗(yàn)方案

按照洺河渡槽混凝土原配合比拌和混凝土,澆筑尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件,凝固拆模后置于常溫養(yǎng)護(hù)箱（溫度25℃、濕度95%)中養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)期為28 d,將養(yǎng)護(hù)到齡期的試件進(jìn)行混凝土物理力學(xué)及熱力學(xué)參數(shù)測(cè)試。選用TAW-2000巖石三軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,采用Hot Disk熱常數(shù)分析儀對(duì)混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容進(jìn)行測(cè)定,取均值得到表2的物理力學(xué)參數(shù)。

表2 混凝土物理力學(xué)參數(shù)

1.3 渡槽運(yùn)行期受溫度應(yīng)力影響數(shù)值模擬

1.3.1 模型建立

以洺河渡槽的實(shí)際工程資料和物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),在ANSYS Workbench中建立洺河渡槽的三維有限元實(shí)體模型,見(jiàn)圖1。槽身為三槽一聯(lián)矩形結(jié)構(gòu),詳細(xì)尺寸見(jiàn)表3（實(shí)體與模型尺寸比為1∶1),槽身為對(duì)稱結(jié)構(gòu),選取模型一半進(jìn)行計(jì)算,在流體與渡槽邊壁接觸的位置設(shè)置耦合接觸面,通過(guò)耦合接觸面來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算過(guò)程中流體域與固體域之間應(yīng)力和熱量的傳遞［8］。在Mechanical中劃分六面體網(wǎng)格（見(jiàn)圖1),為保證流場(chǎng)在渡槽邊壁處計(jì)算的穩(wěn)定,在流體域和固體域接觸的位置設(shè)置膨脹層加密流體域邊壁處的網(wǎng)格［9］。

圖1 渡槽幾何模型與網(wǎng)格劃分

表3 單槽結(jié)構(gòu)實(shí)體尺寸 m

1.3.2 工況選取

為研究渡槽過(guò)水水位、溫度對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的影響［10-11］,選取典型工況半槽水位（3 m)、設(shè)計(jì)水位（5.662 m)和滿槽水位（6.2 m),對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱-流-固耦合數(shù)值模擬計(jì)算。水位與溫度對(duì)應(yīng)的工況見(jiàn)表4,計(jì)算模型如圖2所示。

表4 水位與溫度工況

2 數(shù)值模擬結(jié)果

2.1 渡槽單受水壓作用的穩(wěn)定性分析

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得出了3種過(guò)槽水位條件下渡槽的位移和應(yīng)力,見(jiàn)圖3～圖5。圖3為過(guò)槽水位3 m時(shí)渡槽的位移和應(yīng)力云圖。低水位情況下,水流對(duì)邊墻的影響非常微小,位移主要集中在底板上,應(yīng)力主要集中在底板和邊墻相交處,最大集中應(yīng)力為2.57 MPa。

圖2 不同工況下的計(jì)算模型

圖3 過(guò)槽水位為3 m（半槽水位）時(shí)渡槽的位移與應(yīng)力云圖

圖4 為設(shè)計(jì)水位5.662 m時(shí)渡槽的位移和應(yīng)力云圖。當(dāng)水位上升后渡槽外部邊墻受水壓力的作用向外側(cè)偏移,頂部最大位移量為3 mm；而中槽的邊墻由于兩側(cè)均受水壓力作用而抵消位移。由于邊槽外墻的偏移,因此底板和邊墻相交的位置集中應(yīng)力最大,達(dá)到5 MPa左右。

圖4 過(guò)槽水位為5.662 m（設(shè)計(jì)水位）時(shí)渡槽的位移與應(yīng)力云圖

圖5 為滿槽水位6.2 m時(shí)渡槽的位移和應(yīng)力云圖。當(dāng)水位上升到滿槽水位時(shí),邊槽外墻頂部的位移接近5 mm,而且應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大,外邊墻向外偏移,底板下凹,導(dǎo)致最外側(cè)支座處的應(yīng)力最大,達(dá)到了5.6 MPa。

圖5 過(guò)槽水位為6.2 m（滿槽水位）時(shí)渡槽的位移與應(yīng)力云圖

計(jì)算結(jié)果表明,在水位較高時(shí),邊槽的支座是應(yīng)力集中容易產(chǎn)生破壞的位置,為保證渡槽運(yùn)行的安全可靠,最外側(cè)邊墻與底板相交的位置是需要重點(diǎn)防護(hù)的。

2.2 熱-流-固耦合條件下渡槽穩(wěn)定性分析

渡槽在運(yùn)行期間必然會(huì)受到環(huán)境溫度的影響,溫度差異會(huì)在混凝土中產(chǎn)生溫度應(yīng)力,與水壓力耦合共同影響混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［12-13］,見(jiàn)圖6～圖8。圖6為各溫度條件下過(guò)槽水位為3 m時(shí)渡槽的溫度場(chǎng)云圖和位移變形云圖。溫度由水體向渡槽結(jié)構(gòu)傳遞,中槽的邊壁因?yàn)閮蓚?cè)均有水體傳熱,所以溫度與水體相同,而其他邊墻內(nèi)部溫度擴(kuò)散則逐漸衰減,直至表面溫度與環(huán)境溫度保持一致。過(guò)槽水位較低時(shí),受溫度應(yīng)力的影響,溫度高的地方混凝土膨脹、溫度低的混凝土收縮,這就導(dǎo)致了渡槽表面與水接觸的地方發(fā)生形變,溫度差異最大的時(shí)候邊壁頂部的變形量達(dá)到5 mm。

圖6 過(guò)槽水位為3 m時(shí)渡槽不同溫度條件下的溫度場(chǎng)與位移云圖

圖7 過(guò)槽水位為5.662 m（設(shè)計(jì)水位）時(shí)渡槽不同溫度條件下的溫度場(chǎng)與位移云圖

圖8 過(guò)槽水位為6.2 m（滿槽水位）時(shí)渡槽不同溫度條件下的溫度場(chǎng)與位移云圖

圖7為3種溫度條件下過(guò)槽水位為5.662 m時(shí)的溫度云圖和位移變形云圖。該工況下,渡槽變形主要由水壓力和溫度應(yīng)力共同作用,水壓作用于邊壁內(nèi)側(cè)。當(dāng)水溫高于氣溫時(shí),邊壁內(nèi)側(cè)膨脹外表收縮,導(dǎo)致渡槽兩側(cè)的邊壁向外彎曲,頂部撓度達(dá)到4 mm；當(dāng)氣溫略高于水溫時(shí),外側(cè)邊壁有膨脹的趨勢(shì),但在水壓力共同作用下,邊壁的變形得到抵消,撓度減??；當(dāng)氣溫非常高的時(shí)候,與水接觸的邊壁和外側(cè)邊壁溫差較大,使得兩側(cè)邊壁溫度變形不均勻,邊墻向內(nèi)側(cè)彎曲,頂部的最大撓度值為5.4 mm。

圖8為滿槽水位時(shí)的溫度場(chǎng)云圖和位移變形云圖。由于水位升高,因此渡槽內(nèi)側(cè)的邊壁上作用有更大的水壓力,低溫運(yùn)行時(shí),兩側(cè)邊墻向外彎曲,頂部最大撓度達(dá)到5.3 mm；當(dāng)氣溫略高于水溫時(shí),由于水壓力較大,因此邊墻向外側(cè)發(fā)生了少許偏移；當(dāng)氣溫遠(yuǎn)高于水溫時(shí),邊墻向內(nèi)部彎曲,相對(duì)于設(shè)計(jì)水位,由于水壓力的增大,因此頂部的撓度減小了1 mm。

對(duì)比3種工況下溫度場(chǎng)以及位移云圖發(fā)現(xiàn),渡槽運(yùn)行期較低水位時(shí)主要受溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力影響,邊墻會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)彎曲變形；水位較高時(shí),冬季邊墻受水壓與溫度場(chǎng)影響會(huì)產(chǎn)生向外彎曲變形；春秋季由于水溫與氣溫溫差較小,變形有所緩解,可認(rèn)為單受水壓作用；夏季氣溫高于水溫,邊墻向內(nèi)彎曲,頂部最大撓度達(dá)到5.4 mm,但水位進(jìn)一步上升至滿槽時(shí),會(huì)使頂部撓度減小1 mm。

3 結(jié) 論

（1)渡槽在單受水壓力作用時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)檫厜εc底板交界處,邊墻頂部向外移動(dòng),邊墻支座易發(fā)生破壞；水位上升時(shí),應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大,外側(cè)邊墻與底板交界位置需采取有效措施重點(diǎn)防護(hù)。

（2)渡槽運(yùn)行期受水壓、氣溫以及水溫耦合作用,過(guò)槽水位較低時(shí),渡槽受溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力影響較大,溫差最大時(shí)邊墻頂部變形量可達(dá)5 mm。過(guò)槽水位較高時(shí),當(dāng)水溫高于氣溫時(shí),受溫度應(yīng)力與水壓力作用渡槽邊墻向外彎曲,頂部撓度可達(dá)5 mm；當(dāng)水溫與氣溫相差不大時(shí),溫度應(yīng)力較小,頂部撓度減小,水位上升會(huì)使渡槽產(chǎn)生向外的偏移；當(dāng)氣溫高于水溫時(shí),溫度應(yīng)力大于水壓力導(dǎo)致邊墻向內(nèi)側(cè)彎曲,頂部最大撓度達(dá)到5.4 mm,但水位進(jìn)一步上升到滿槽水位時(shí),水壓力增大,頂部撓度減小1 mm。