u形渡槽和矩形渡槽施工期應力仿真分析

穿越河流是河流穿越的重要結構之一。對裂縫的要求很高。這是一級抗裂結構。一旦出現裂縫，不僅會造成水資源浪費，還會破壞結構的耐心。大型混凝土結構在施工過程中會產生大量的水化熱,對渡槽結構施工過程中因水化熱而產生的溫度應力應給予高度重視。目前關于大型渡槽施工期溫度應力的分析較少,而施工期帶來的溫度應力是瞬態的,是不容忽視的。1組合建筑物沙河大型渡槽工程為南水北調總干渠跨越沙河、將相河、大郎河和該處低洼地帶的梁式渡槽、旱渡槽以及繞魯山坡流槽等的組合建筑物?？偢汕c沙河及大郎河交叉的建筑物采用梁式渡槽,與將相河交叉及跨越低洼地帶建筑物采用箱基旱渡槽,繞魯山坡的建筑物采用落地矩形流槽。渡槽槽身長1500m,跨長50m,設計流量為320m3/s,加大流量為380m3/s。2變溫作用下變形剛度計算方法混凝土在硬化期間,因水化熱而發出熱量,在實際工作條件下的熱傳導微分方程為?T?t=α?2T+?θ?t(1)?Τ?t=α?2Τ+?θ?t(1)其中?2=?2?x2+?2?y2+?2?z2?2=?2?x2+?2?y2+?2?z2式中:T為溫度;α為線膨脹系數;θ為水化熱發出的熱量;t為齡期?；炷两Y構的內熱源表達式為Wcpρ=?θ?t(2)Wcpρ=?θ?t(2)式中:W為單位時間單位體積內發出的熱量;cp為質量定壓熱容;ρ為混凝土密度。在變溫作用下位移求解方法與一般彈性力學位移求解方法的區別:①在平衡微分方程中增加了變溫引起的相當于體力的項,稱為等效體力,即fx=?Eα1?2μ?T?x(3)fx=-Eα1-2μ?Τ?x(3)式中:E為彈性模量;μ為泊松比。②在應力邊界條件中增加了變溫引起的相當于面力的項,稱為等效面力,即fˉx=lEαT1?2μ(4)fˉx=lEαΤ1-2μ(4)③由位移或應變求應力時,應力中不僅有常規的位移或應變對應項,而且有變溫對應項。從而可知,變溫作用可化為等效體力和等效面力的作用,而位移邊界條件不變,解出變溫作用下的實際位移,代入下式求解應力:σx=E1+μ(μ1?2μe+?u?x)?EαT1?2μτxy=E2(1+μ)(?u?y+?v?x)???(5)σx=E1+μ(μ1-2μe+?u?x)-EαΤ1-2μτxy=E2(1+μ)(?u?y+?v?x)}(5)式中:e=?u?x+?v?y+?w?z,ue=?u?x+?v?y+?w?z,u、v、w為位移。3水化熱和彈性模量計算方程U形渡槽和矩形渡槽施工模擬分冬季和夏季進行,冬季澆筑溫度為12℃,夏季澆筑溫度為22℃。外界氣溫冬季為1—2月氣溫,夏季為7—8月氣溫,溫度為第3邊界條件。根據《水工混凝土施工規范》,施工工況水化熱和彈性模量計算表達式分別為Qt=Q0[1?exp(?mtn)](6)Ec(t)=1.44Ec(28)[1?exp(?0.4t0.34)](7)Qt=Q0[1-exp(-mtn)](6)Ec(t)=1.44Ec(28)[1-exp(-0.4t0.34)](7)式中:Qt為齡期t時的累計水化熱,kJ/kg;Q0為最終水化熱,kJ/kg;t為混凝土的齡期,d;Ec(t)為混凝土齡期t的彈性模量;m、n為水泥放熱系數。渡槽澆筑分兩期進行,第1期澆筑到渡槽橫斷面的中性軸,第2期澆筑到頂,兩次澆筑時間間隔為10d,共計澆筑30d。每一種槽形分為冬季施工和夏季施工兩種工況進行分析。4通過大壩的溫度分析4.1階段澆筑階段在冬季澆筑時,一期(下部)澆筑混凝土齡期為2d時溫度達到最高,Tmax=15.221℃,此后溫度逐日下降;到10d齡期,最高溫度下降至6.189℃;施工第11d,二期(上部)澆筑完成,最高溫度出現在上部的中墻上,此后隨時間下降;到16d齡期時,最高溫度降至7.891℃。在夏季澆筑時,一期(下部)澆筑6d齡期時溫度達到最高,Tmax=32.281℃,此后體內最高溫度逐日下降;到10d齡期,最高溫度下降至26.676℃;施工11d,二期(上部)澆筑完成,最高溫度出現在上部的中墻上,此后隨時間下降;到16d齡期時,最高溫度降至29.868℃。U形渡槽1、10、20、30d齡期應力的最大值見表1。由于U形渡槽槽壁較薄,各方向溫度應力較小,因此最大應力出現在冬季澆筑30d齡期的順水方向一二層交接面,僅為0.92MPa。4.2混凝土澆筑應力在冬季澆筑時,一期(下部)澆筑混凝土3d齡期時溫度達到最高,Tmax=12.834℃,此后體內最高溫度逐日下降,到10d齡期最高溫度下降至6.691℃;施工11d,二期(上部)澆筑完成,最高溫度出現在上部的中墻上,此后隨時間下降;到16d齡期時,最高溫度降至7.151℃。在夏季澆筑時,一期(下部)澆筑混凝土6d齡期時溫度達到最高,Tmax=31.794℃,此后體內最高溫度逐日下降,到10d齡期最高溫度下降至27.098℃;施工11d,二期(上部)澆筑完成,最高溫度出現在上部的中墻上,此后隨時間下降;到16d齡期時,最高溫度降至26.719℃。矩形渡槽1、10、20、30d齡期的應力最大值見表2。矩形渡槽比U形渡槽槽壁厚,自約束能力較強,溫度應力也相應增大,最大應力為夏季澆筑30d齡期的橫向應力。5施工期的溫度應力(1)冬季施工矩形渡槽和U形渡槽產生的溫度應力基本相當,而夏季施工矩形渡槽產生的溫度應力明顯要大于U形渡槽。(2)U形槽冬季施工期產生的溫度應力較大,而矩形渡槽夏季施工產生的溫度應力較大;最大應力均產生在一二層的交界處;U形渡槽的最大應力發生在順水流方向