溫度變化對(duì)大型預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)受力的影響
摘要：預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)是一個(gè)受力狀況復(fù)雜的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度變化作用下，其應(yīng)力狀態(tài)難以確定。為此，運(yùn)用三維有限元對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，確定其在無(wú)溫度變化、最大溫升、最大溫降情況下9種工況的應(yīng)力分布狀態(tài)。結(jié)果表明，在各種設(shè)計(jì)工況荷載作用下，無(wú)溫度變化時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)均沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力；但在溫度變化時(shí)，工況Ⅰ和工況Ⅲ均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。其中，在溫升情況下，工況Ⅰ底板下表面和工況Ⅲ頂板上表面產(chǎn)生拉應(yīng)力大小分別為1.53MPa和1.72MPa；在溫降情況下，工況Ⅰ邊墻內(nèi)側(cè)、工況Ⅲ頂板下表面、工況Ⅲ底板上表面和工況Ⅲ邊墻內(nèi)側(cè)產(chǎn)生拉應(yīng)力大小分別為1.36MPa、1.77MPa、1.85MPa和1.65MPa。因此，溫度變化對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)的影響是不容忽視的。
關(guān)鍵詞：溫度變化,倒虹吸,溫升,溫降,有限元分析
以前對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)配筋時(shí)，往往不關(guān)注溫度應(yīng)力的影響，或者把溫度作用按照其他荷載引起的應(yīng)力加上一定的百分比來考慮[1]。近年來一系列的數(shù)值分析和原型觀測(cè)資料表明，溫度變化是一項(xiàng)非常重要的荷載，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及配筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)該考慮溫度的作用[2-4]。本文以大型倒虹吸結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用三維有限元分析軟件ANSYS，進(jìn)行數(shù)值分析，深入研究大型倒虹吸結(jié)構(gòu)在沒有溫度作用、最高溫升作用和最高溫降作用等情況下，倒虹吸管身混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，及其對(duì)倒虹吸混凝土結(jié)構(gòu)的影響。
1工程概況
本工程由南段倒虹吸、中間明渠和北段倒虹吸三大部分組成，其中南北段倒虹吸由進(jìn)口檢修閘、倒虹吸管、出口節(jié)制閘（或檢修閘）等建筑物組成。南段倒虹吸長(zhǎng)1250m，中間明渠長(zhǎng)2030m，北段倒虹吸長(zhǎng)1055m。倒虹吸管為3孔1聯(lián)，單孔過水?dāng)嗝娉叽纾ǜ?times;寬）6.6m×6.5m。管身為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形結(jié)構(gòu)，采用1860級(jí)高低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線和曲線孔道真空輔助灌漿后張有黏結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為：底板、頂板及邊墻厚度均為1.0m，中墻厚度為0.8m。倒虹吸斷面示意圖見圖1。
2.6倒虹吸結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的三維有限元模型
由于倒虹吸預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按抗裂設(shè)計(jì)，因此選用三維有限元彈性計(jì)算模型，并考慮地基和混凝土墊層對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響�；炷羻卧捎镁匿摻罨炷琳鬯銖椥阅Ａ浚豢紤]預(yù)應(yīng)力筋對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的增強(qiáng)作用，預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)混凝土的作用力以單元節(jié)點(diǎn)通過專用程序施加[5]。在正常使用極限狀態(tài)下，倒虹吸結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力分析三維有限元數(shù)值計(jì)算采用ANSYS通用有限元分析軟件中的8節(jié)點(diǎn)塊體元。為簡(jiǎn)化計(jì)算，倒虹吸管兩側(cè)原位土和回填土對(duì)結(jié)構(gòu)的影響均以外荷載代替[6]。考慮倒虹吸管下部地基土對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響，由圣維南原理從倒虹吸管底部向下取地下基礎(chǔ)厚度為5.0m，從倒虹吸管邊豎墻向外取10m進(jìn)行模擬[7-8]。
在進(jìn)行溫度計(jì)算時(shí)，以多年平均溫度對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)作為初始溫度場(chǎng)，最高溫升和最大溫降時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)為最終溫度場(chǎng)，得到平均溫度場(chǎng)相應(yīng)于最高溫升和最高溫降時(shí)的溫差，即為溫度應(yīng)力計(jì)算時(shí)的荷載。溫度應(yīng)力計(jì)算采用熱-結(jié)構(gòu)順序耦合的分析方法，先進(jìn)行熱分析求得渡槽結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，將熱分析得到的溫度場(chǎng)作為荷載加到結(jié)構(gòu)中，從而求得渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。計(jì)算溫度作用時(shí)，溫度邊界條件為：倒虹吸外側(cè)采用地溫，倒虹吸內(nèi)側(cè)采用水溫（有水工況）或者空氣溫度（無(wú)水工況）。
3有限元結(jié)果分析
3.1頂板正應(yīng)力
3.1.1溫升條件下的應(yīng)力分布
在所有工況荷載作用下，不考慮溫度變化時(shí)，頂板上表面和下表面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力也不大。比較所有工況荷載作用，工況Ⅰ渠道設(shè)計(jì)水位（最高地下水位）和工況Ⅲ渠道加大水位條件下，倒虹吸頂板上表面出現(xiàn)了較小的壓應(yīng)力。同時(shí)，由表2可知，從工況Ⅰ到工況Ⅶ，倒虹吸內(nèi)部溫度受水溫控制，外部溫度受地溫控制，夏季水溫較高，地溫（倒虹吸管身埋于地下）相對(duì)較低，使得倒虹吸內(nèi)部溫度高于外部溫度，溫差達(dá)10.1℃。這樣的溫差導(dǎo)致了頂板表面原本壓應(yīng)力不大的邊跨跨中（工況Ⅰ和工況Ⅲ）小部分區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其中工況Ⅲ拉應(yīng)力較大。由圖4可知，應(yīng)力值由無(wú)溫度變化時(shí)的壓應(yīng)力值-1.76MPa，變化為溫升時(shí)的拉應(yīng)力值1.72MPa。
在工況Ⅲ渠道加大水位作用下，溫升造成頂板下表面壓應(yīng)力整體趨于增大趨勢(shì)，最大壓應(yīng)力發(fā)生在邊跨跨中，最大壓應(yīng)力由無(wú)溫度變化時(shí)的-10.5MPa變化到溫升時(shí)的-13.1MPa（圖5），壓應(yīng)力的增大對(duì)結(jié)果影響不大。
3.1.2溫降條件下的應(yīng)力分布
對(duì)于下表面，當(dāng)外界氣溫下降時(shí)，比如在冬季12月份時(shí)，氣溫和水溫變化較大，地溫變化較小，使得倒虹吸管內(nèi)溫度低于管外溫度，最大溫降為-14.1℃。經(jīng)分析，在溫降情況和荷載作用下，在所有工況中，工況Ⅲ拉應(yīng)力最大，拉應(yīng)力大小為1.77MPa（圖5）。拉應(yīng)力發(fā)生在頂板下表面距離倒虹吸左邊緣6～10m范圍內(nèi)，因?yàn)樵撐恢锰幵诘购缥茼敯迮c豎墻交接處，因此，應(yīng)加強(qiáng)此處的構(gòu)造措施。對(duì)于上表面，溫降使得壓應(yīng)力值增大，壓應(yīng)力值由原來的-14.7MPa變化到-16.5MPa。
3.2底板正應(yīng)力
3.2.1溫升條件下的應(yīng)力分布
所有工況荷載作用下，在不考慮溫度變化時(shí)，底板上下表面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。大部分混凝土在施加預(yù)應(yīng)力的作用下處于受壓狀態(tài)，形成連續(xù)受壓區(qū)，壓應(yīng)力最大值為-10.92MPa（工況Ⅵ）。由圖6可知，對(duì)于底板上表面，溫升使得壓應(yīng)力趨于增大趨勢(shì)，最大壓應(yīng)力為-13.14MPa。由圖7可知，在工況Ⅰ長(zhǎng)期荷載作用下，溫升對(duì)底板下表面不利，使底板下表面距離邊跨左邊緣3～6m范圍和距離邊跨左邊緣10.2～12.4m范圍內(nèi)均出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力最大值分別為1.53MPa和0.86MPa。對(duì)于工況Ⅷ和工況Ⅸ，溫升對(duì)倒虹吸底板下邊緣是不利的，雖然溫升值較高（11.4℃），但由于完建期管內(nèi)無(wú)水，減小了內(nèi)水壓力，使得底板下邊緣僅出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力（0.13MPa），說明內(nèi)水壓力影響較大。
3.2.2溫降條件下的應(yīng)力分布
在溫降情況下，工況Ⅲ在底板上表面邊跨左邊與邊墻交接處以及中跨上表面右邊與中墻交接處均出現(xiàn)應(yīng)力集中，拉應(yīng)力較大，分別為1.28MPa和1.85MPa，見圖6。
3.3邊墻和中墻正應(yīng)力
所有工況荷載作用下，在不考慮溫度變化和溫升時(shí)，邊墻左右表面均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。在施加預(yù)應(yīng)力的作用下混凝土處于受壓狀態(tài)，形成連續(xù)受壓區(qū)，壓應(yīng)力最大值為-12.75MPa。
此時(shí)，溫升對(duì)于倒虹吸管內(nèi)側(cè)是有利的，溫升使得管內(nèi)側(cè)混凝土膨脹，減小了拉應(yīng)力。相反，溫升對(duì)于倒虹吸管外側(cè)是不利的，但曲線預(yù)應(yīng)力筋的作用對(duì)倒虹吸管外側(cè)拉應(yīng)力具有緩沖作用。因此，整體作用使得倒虹吸管外側(cè)并沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力。
溫降時(shí)，在工況Ⅰ（渠道設(shè)計(jì)水位、河道無(wú)水）長(zhǎng)期荷載作用下和工況Ⅲ（渠道加大水位，管頂土被校核洪水沖至管頂以上0.5m）短期荷載作用下，邊墻內(nèi)側(cè)與頂板上表面交接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，局部拉應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力分別為1.36MPa和1.65MPa。此處，溫降對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)是不利的，使得倒虹吸管內(nèi)側(cè)混凝土收縮，加劇了倒虹吸管內(nèi)側(cè)混凝土拉應(yīng)力[9]。
中墻在所有工況荷載作用下，不考慮溫度變化時(shí)和溫升、溫降情況下均沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力不大，最大壓應(yīng)力為8.3MPa，相當(dāng)于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的31%，保證正常使用狀態(tài)下混凝土受壓徐變?cè)趶椥苑秶鷥?nèi)。因此，中墻預(yù)應(yīng)力筋采用直線型完全滿足要求。
4結(jié)語(yǔ)
在所有工況荷載作用下，溫度變化時(shí)，工況Ⅰ和工況Ⅲ均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，其中，工況Ⅲ溫降時(shí)在底板上邊緣與中墻交接處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大小為1.85MPa，溫升時(shí)，在邊跨跨中產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值為1.72MPa。
從計(jì)算結(jié)果看，溫度變化產(chǎn)生的拉應(yīng)力不容忽視，在進(jìn)行混凝土倒虹吸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，必須全面考慮溫度荷載，以往設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化甚至忽略溫度荷載的做法是不合理的。
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