温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响.pdf

第 1 1 卷第 4 期 2 0 1 3 年 8月 南水北调与 水利科 技 S o u t h - t o - N o r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c eT e c h n o l o g y V0 1 ． 1 1 No ． 4 Au g ． 2 0 1 3 d o i 1 0 ． 3 7 2 4 ／ S P ． J ． 1 2 0 1 2 0 1 3 0 4 1 9 6 日 ， 皿 度变化对大 型预应力混凝土倒虹 吸结构 受力的影 响 张龙飞 ， 姚 贤华 ， 岳超然 ， 管俊峰 1 ． 华北水利水电学院， 郑州 4 5 0 0 1 1 ； 2 ． 河南大河基础建设工程有限公司， 郑州 4 5 O 0 O 8 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顶板上表面产生拉应力大小分别为 1 ． 5 3 MP a和 1 ． 7 2 MP a ； 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 ． 3 6 MP a 、 1 ． 7 7 MP a 、 1 ． 8 5 MP a和 1 ． 6 5 MP a 。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 T V6 7 2 ． 3 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 2 1 6 8 3 2 0 1 3 0 4 0 1 9 6 0 4 I nf l u e nc e s o f Te m p e r a t u r e Ch a ng e s o n Be ha v i or s o f La r g e Pr e s t r e s s e d Co nc r e t e I n v e r t e d S i ph o n ZHANG L o n g f e i ， YAO Xi a n - h u a ， YUE Ch a o - r a n 。 ， GUAN J u n - f e n g 1 ． No r t h i n a[ n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c Po w e r ， He n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ； 2 ． He n a n D a h e E n g i n e e r i n g c o r p o r a t i o n o f i n f r a s t r u c t u r e ， He n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 8 Ab s t r a c t ．． Th e s t r u c t u r e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e i n v e r t e d s i p h o n i s a l a r g e - v o l u me c o n c r e t e s t r u c t u r e wi t h c o mp l e x s t r e s s e s ， a n d t h e s t r e s s i s d i f f i c u l t t o b e a s c e r t a i n e d wh e n t h e s t r u c t u r e i s a f f e c t e d b y c h a n g i n g t e mp e r a t u r e ．Th e s t r u c t u r e o f i n v e r t e d s i p h o n wa s a n a l y z e d u s i n g 3 - D f i n i t e e l e me n t me t h o d FEMt o o b t a i n t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n s u n d e r n i n e wo r k i n g c o n d i t i o n s i n c l u d i n g n o c h a n g e O {t e mp e r a t u r e ， ma x i mu m t e mp e r a t u r e r i s e ， a n d ma x i mu m t e mp e r a t u r e d r o p ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t u n d e r s e v e r a l wo r k i n g c o n d i t i o n s ， t h e s t r u c t u r e o f p r e s t r e s s e d c o n c r e t e i n v e r t e d s i p h o n d i d n o t p r o d u c e t e n s i l e s t r e s s wi t h n o c h a n g e o f t e m p e r a t u r e ． Th e l a r g e t e n s i l e s t r e s s we r e p r o d u c e d u n d e r t h e wo r k i n g c o n d i t i o n s I a n d I I 1 wi t h t e mp e r a t u r e c h a n g e s ．Un d e r t h e c o n d i t i o n o f t e mp e r a t u r e r i s e ， t h e t e n s i l e s t r e s s wa s 1 ． 5 3 MP a a n d】 ． 7 2 MPa ， r e s p e c t i v e l y， i n t h e b o t t o m s u r f a c e o f b a s e p l a t e f o r c o n d i t i o n I a n d t h e t o p s u r f a c e o f a p i c a l p l a t e f o r c o n d i t i o n I I I ． Un d e r t h e c o n d i t i o n o f t e mp e r a t u r e d r o p， t h e t e n s i l e s t r e s s wa s 1 ． 3 6 MPa ， 1 ． 7 7 MP a ， 1 ． 8 5 MPa ， a n d 1 ． 6 5 MPa ， r e s p e c t i v e l y ， i n t h e s i d e wa l l f o r c o n d i t i o n I 。 i n t h e b o t t o m s u r f a c e o f a p i e a l p l a t e f o r c o n d i t i o n I I I ， i n t h e t o p s u r f a c e o f b a s e p l a t e f o r c o n d i t io n I I I ， a n d i n t h e s i d e wa l l f o r c o n d i t i o n I I I ．Th e r e f o r e 。 t e mp e r a t u r e c h a n g e s h a d s i g n i f i c a n t i mp a c t s o n t h e s t r u c t u r e o f i n v e r t e d s i p h o n ． Ke y wo r d s t e mp e r a t u r e c h a n g e s ； i n v e r t e d s i p h o n ； t e mp e r a t u r e r i s e ； t e mp e r a t u r e d r o p； f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s 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 白重、 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l 2 ] 。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 AN S YS ， 进行数值分析， 深入 收稿 日期 2 0 1 3 一 O 1 2 3 修回 日期 2 0 1 3 0 3 2 6 网络 出版时间 2 0 1 3 0 7 2 8 网络出版地址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 1 3 ． 1 3 3 4 ． T V． 2 0 1 3 0 7 2 8 ． 1 3 1 1 ． 0 4 5 ． h t ml 基金项 目 国家 自然科学基金青年基金 5 1 2 0 9 0 9 4 ； 海岸和近海工程 国家重点实验室基金 I P 1 2 1 1 作者简介 张龙飞 1 9 7 4 一 ， 男 ， 河南濮 阳人， 工程师 ， 硕士 ， 国家一级注册结构工程 师， 主要从事工程结构分析方 面的研究 。E ma i l y a o x i a n h u a n c wu ． e d u ． c n 1 96 工程技术 张龙飞等 温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响 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。 l 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 1 2 5 0 m， 中间 明渠长 2 0 3 0 m， 北段倒虹吸长 1 0 5 5 IT - 。倒虹吸管为 3 孔 1 联 ， 单孔过水断面尺寸 高宽 6 ． 6 mX 6 ． 5 m。管身为预应 力混凝土箱形结构， 采用 1 8 6 0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 1 ． 0 m， 中墙厚度为 0 ． 8 m。倒虹吸断面示意图见图 1 。 镏头 苗 珂 院 T ● I ， ， l_ ／ ＼ ／ 、 塑堡终 1 5 2 钢绞 线5 4 , 1 5 2 5 0 0 钢绞线 5 4 1 5 2 5 0 0 、 钢 绞线 1 I 4 , 1 5 2 5 0 0 In 钢 绞线 1 l l 5 2 5 0 0 、 暑 一 ， ＼ ／ ＼ 钢绞线 1 3 1 5 2 5 0 0 ＼ 1 ．r _ ● h 、 l ● - o L n 1 l I _十 m ’ 7 n 图 1 倒虹吸结构预应力钢筋布置 Fi g ． 1 Ar r a n g e me nt o f p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e me nt s i n t h e i n v e r t e d s i p ho n s t r u c t u r e 2 设计参数及计算条件 2 ． 1 管身段回填料 采用开挖的砂卵石土回填， 湿容重 2 0 k N／ m。 ； 饱和容 重 2 2 k N／ m3 ； 内摩擦角 3 3 。 。 2 ． 2天然地 基 地基土层为砂壤土 ， 主要指标见表 1 。 表 1 地基土基本性能参数 Ta b l e 1 Ba s i c p e r f o r ma nc e p a r a me t e r s o f t he f ou n d a t i o n s o i l 2 ． 3 混凝 土 材料 性能 倒虹吸管身段预应力混凝土 C 4 0 ， 钢筋混凝土重度 2 5 k N／ m3 。倒虹吸管身混凝土等级 C A0 。混凝土轴心抗压强 度标准值 2 6 ． 8 MP a ， 设计值 一1 9 ． 5 MP a ， 混凝土轴 心抗拉强度标准值 一2 ． 4 5 MP a ， 弹性模量 E 一3 ． 2 5 1 0 MP a ， 泊松比 一0 ． 1 6 7 。 2 ． 4 温度 参数 地 温采 用 沙河 市地 区 多年 地 温 地 下 3 ． 2 1 T t 处 温 度 监测成果 ； 气温采用沙河监测 站多年 各月平 均气温监测 成果 ； 水温采用沙河水温监测成果 。各种工 况的温差情 况 见 表 2 。 表 2 各种 工况温度作用分析成果 Ta b l e 2 Ana l ys i s o f t e mp e r a t u r e e f f e c t s o f a l l wo r k i n g c o n d i t i o n s 2 ． 5 荷 载及 其组合 作用在倒虹吸结构上的荷载包括结构 自重、 倒虹吸内水 自重和内水压力、 倒虹吸顶部覆土和外水压力、 倒虹吸外侧 土压力和外水压力。根据倒虹吸的实际受力情况和工作条 件 ， 按下列设计工况进行荷载组合 工况 I一渠道设计水位、 河道无水 最高地下水位 ； 工况 Ⅱ一渠道设计水位 ， 河道设 计洪水 ； 工况 Ⅲ一渠道 加大 水位 ， 管顶 土被 校核洪 水 冲至管 顶以上 0 ． 5 m； 工况Ⅳ一渠道设计水位， 河道无水 最高地下 水位 ， 两边孔检修， 中孔过水； 工况V一渠道设计水位， 河道 无水 最低地下水位 ， 两边孔检修， 中孔过水； 工况Ⅵ一渠道 设计水位， 河道无水 最高地下水位 ， 中孔检修， 两边孔过 水 ； 工 况Ⅶ一渠 道设 计水位 ， 河道无水 最低地 下水位 ， 中孔 检修， 两边孔过水； 工况Ⅷ一完建期 ， 管内无水 ， 河道无水 最 高地下水位 ； 工况Ⅸ一完建期， 管内无水， 河道无水 最低地 下水位 。 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l_ 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 AN S YS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 ] 。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 ． 0 I n ， 从倒 虹 吸管边竖 墙 向外取 1 0 In 进行 模 拟 ] 。 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一结 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 。 工程技术 1 9 7 张龙飞等 温度变化对大型预应力混凝土倒虹吸结构受力的影响 距边跨左边缘距离，珈 1 ．一 | | ’ _ 卜． ～ ■ 一 。 壳结构的影响_ J ] ． 浙江大学学报 3 2 学版 ， 2 0 0 0 ， 3 4 4 4 3 3 4 3 7 ． WANG Lin _ y u， ZHU Xi a n g - r o n g， ZHONG Bi n g - z h a n g ． I n f u l u e n c e o f Ro c k Re s i s t a n c e a n d Te mp e r a t u r e Di f f e r e n c e o n t h e S p i r a l Ca s i n g S t r u c t u r e o f La r g e - s i z e d Hy d r o p o we r St a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， 2 0 0 0 ， 3 4 4 4 3 3 4 3 7 ． i n Ch i n e s e Ve r r na Vi s hn u， Gh o s h A K， k u s h wa ha H S， Te mp e r a t u r e Di s t r i b u t io n a n d Th e r ma l S t r e s s An a l y s i s o f B a l l t a n k S u b j e c t e d t O S o l a r Ra d i a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f Ve s s e l Te c h n o l o g y ， 2 0 0 5 ， 1 2 7 l 1 9 1 2 2 ． Le e Y S， Ch o i M H， e t a 1 ． A S t r u c t ur a l An a l y s i s o f t h e Ci r c u l a r C y l i n d e r wi t h Mu l t i Ho l e s Un d e r T h e r ma l L o a d i n g [ J ] ． Nu c l e a r En gi n e e r i n g a n d De s i g n， 2 0 0 2， 21 2 2 7 3 2 7 9 ． C h e n Ya o l o n g ， Wa n g Ch a n g j i a n g ， L i S h o u y i ， e t a 1 ． S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Th e r ma l S t r e s s o f RCC Da ms Us i n g 3 - D Fini t e El e m e n t R e l o c a t i o n Me s h Me t h o d [ J ] ． A d v a n c e s i n E n g i n e e r i n g S o f t wa r e， 2 0 0 1 ， 3 2 6 77 6 8 2 ． 李晓克 ， 严振瑞 ， 赵顺波 ， 等． 浅埋式 预应力混凝 土压力 管道结 构设计与技术经济 比较[ J ] ． 水 利水 电技术 ， 2 0 0 2 ， 6 2 0 2 5 ． LI Xi a o - k e， YAN Zh e n r u i ， ZHAO Sh u n - b o， e t a 1 ．De s i g n a n d Te c hn i c a l Ec o n o my An a l y s i s o f Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Pe n s t o c k S h a l l o w B u r i e d Un d e r E a r t h [ J ] ． Wa t e r r e s o u r c e s a n d h y d r o p owe r e n g i n e e r i n g， 2 00 2 ， 6 2 O 一 2 5 ． i n Ch i n e s e 唐 献富． 沁河倒虹 吸预应力混凝土结构分析[ J ] ． 南水北调 与水 利科技 ， 2 0 0 8 ， 6 4 3 4 3 5 ． T ANG Xi a n - f u ． I n t e r n a l F o r c e A n a l y s i s a n d Re i n f o r c i n g o f Qi n R i v e r I n v e r t e d - S i p h o n P r e s t r e s s e d C o n c r e t e S t r u c t u r e [ J ] ． Sou t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r Sc i e nc eTe c h no l o g， 2 0 08 ， 6 4 3 4 3 5 ． i n Ch i n e s e 姚 贤华 ， 裴松伟 ， 赵顺波． 高压旋喷桩复合 地基 承载特性 的有 限 元分析 E J ] ． 华北水利水 电学院学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 9 3 9 5 ． YA0 Xi a n - hu a ， PEI S o n g - we i ， ZHA0 S h u n b o ． Fi n i t e El e me nt An a l y s is of Lo a d - c a r r y i n g Ca p a c i t y wi t h Co mp o s i t e F o u nd a t i o n o f H i g h P r e s s u r e R o t a r y G r o u t i n g P i l e [ J ] ． N o r t h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r Co n s e r v a nc y a nd Hy d r o e l e c t r i c Po we r ， 2 0 0 9 ， 3 O 1 9 3 9 5 ． i n Ch i n e s e 赵顺波 ， 姚贤华 ， 裴松伟 ， 等． 回填土 区深层搅拌 桩和高 压旋喷 桩复合地基的静 承载性 能 [ J ] ． 中 国港湾 建设 ， 2 0 0 8 ， 1 1 6 2 O ． ZHAO S hu n - b o， YAO Xi a n - h u a ， PEISo n g - we i ， e t a 1 ． S t u d y o n S t a t i c B e a r i n g Ca p a c i t y o f Co m p o s i t e Fo u n d a t i o ns wi t h De e p Mi xing Pi l e a n d Hi g h Pr e s s u r e Rot a r y Gr o u t i n g Pi l e i n B a c k f i l l Gr o u n d [ J ] ． C h i n a Ha r b o r e n g i n e e r i n g ， 2 0 0 8 ， 1 1 6 2 0 ． i n Ch i n e s e 连继建 ， 喻刚 ， 王海军． 温度变化对水 电站蜗壳结构配筋 的影 响 [ J ] ． 天 津大学学 报， 2 0 0 6 ， 8 9 5 7 9 6 2 ． I J A N J i- j i a n ， Y U G a n g ． WANG Ha i - j u n ． I n f l u e n c e o f C h a n g i n g Te mp e r a t u r e o n Re i n f o r c i n g Ba r s o f S p i r a l Ca s i n g St r c t u r e i n a Hy d r o p o we r S t a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f T i a n j i n u n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 ， 8 9 5 7 9 6 2 ． i n Ch i n e s e 工 程 。 技 术 ．1 9 9．