圆形断面

2024-08-01

圆形断面（共3篇）

圆形断面篇1

一、洞内水波的传播问题

在输水过程中, 自水闸下泄的急流因受到下游缓流的顶托而产生水跃, 水跃主体的振荡使水跃的尾部形成较大的涌波, 水跃振荡越强引起的涌波就越强烈, 涌波传递到圆洞段形成波浪, 随着库水位的增高, 隧洞内会呈现明显的涌波特征, 影响着隧洞的安全输水, 控制不当甚至会影响整个工程的安全运行, 因此对洞内水波的研究应引起足够的重视。

二、隧洞断面余幅问题

这是波浪问题的派生问题。在输水工程中, 从经济上讲, 隧洞断面尺寸要满足在通过已知设计流量时面积为最小, 或者是面积一定时通过流量最大, 同时为保证无压隧洞的明流状态, 在按能量方程计算的水面曲线以上应留有一定的净空, 对于高速的无压隧洞还要考虑掺气和冲击波的影响, 水面以上应另留有一定的余幅面积。在西线工程中, 由于洞线很长, 因此断面余幅的选择直接关系着工程的造价, 同时当库水位较高, 上下游水位差较大时, 闸后高速水流通过水跃和下游洞内缓流衔接, 同时消力池上游非棱柱体段导致水流产生沿轴线方向的上下游振荡, 产生明显的涌波现象, 如果波浪过高, 洞顶余幅预留不足, 则容易产生波浪封顶和明满流交替状态, 因此选择合理的断面余幅也直接影响着工程的安全运行。

上述问题都可归于明流洞不稳定流加以研究。由于西线工程沿线地形、地质极其复杂, 布置特殊, 模型实验模拟范围有限, 难以完全反应实际工程的水波传播特征。但水波不同的传播特征, 会对明流洞产生不同的影响, 尤其当洞内形成较大涌波时, 可能出现波浪封顶, 甚至明满流交替现象, 危及运行安全。因此利用数值方法对圆形明流洞内波传播特征的进行研究, 以期更加全面的贴近实际工程水波特征, 继而提出解决涌波问题, 显得尤为必要。

隧洞断面余幅问题是波浪问题的派生问题, 直接关乎工程的技术经济性。余幅大虽安全但加大投资, 余幅小可能造成波浪封顶, 甚至产生明满流交替现象, 所谓明满交替水流是输水系统中存在的一种极其复杂的过渡水流流态, 是一种气液两相的非恒定流, 由于地形、地质和布置等原因, 在运行过程中, 在一些系统中存在有压流向无压流, 或无压流向有压流转变的明满流现象。因此对隧洞断面余幅的选择是解决波浪隐患问题的关键。

当输水系统启动时干洞内水流变化及其他明渠非恒定问题同样影响明流洞的安全运行, 因此对其进行适当的研究同样具有很大的必要性。

三、输水系统中非恒定流研究意义

圆形明流洞输水广泛应用于输水工程中。在工程设计中大多按恒定流理论进行计算, 但由于控制和事故等原因, 不可避免的会出现非恒定流 (又称非定常流、不稳定流、不恒定流、瞬变流) , 从而可能造成事故隐患;因此通过对圆形明流洞输水水力瞬变问题的研究, 提出科学方案, 解决输水工程中这些实际问题, 是一项非常有意义的课题。

四、国内外明渠非恒定流研究概况

在明渠水流中, 过水断面上的水力要素如流量、流速及水位等随时间不断变化的流动称为明渠非恒定流。从物理概念上它属于波动现象, 水流波动在自然界广泛存在, 但波动特征随不同问题差异很大, 如海洋波动和水利工程河渠流动问题, 依据水深和波长之比的大小把前者归于深水波, 即只有表层水受波动的扰动, 而后者则多认为是浅水波, 即整个断面水体都能受波动干扰, 水利工程中明渠非恒定流的波动多为浅水波, 因此浅水理论在明渠非恒定流问题的研究中极为重要。

一阶浅水理论的的圣.维南方程, 是明渠非恒定流的理论基础, 有五项基本假定分别为:

(1) 压力在垂线上符合静压分布规律。

(2) 摩阻损失与恒定流摩阻损失无显著差别。

(3) 断面流速分布对波的传播无实质性的影响。

(4) 波的运动认为是二维的, 由横断面中最终可能出现的水位差造成的影响忽略不计。

(5) 渠道底部的平均坡度很小。

一阶浅水理论可用来描述不恒定渐变流, 预报浅水长波;而对于高阶浅水理论, 压强在垂线上不符合静压分布规律, 则用来描述不恒定急变流, 预报既非长波也非短波的情形 (如孤立波) 。

以浅水理论为基础的明渠非恒定流是一个较古老的问题, 远在1775年法国数学家拉普拉斯就开始对明渠非恒定流进行研究。拉格朗日的浅水波波速公式首先促进了这方面的研究。

关于明渠非恒定流较深入的数学处理, 是随着两个偏微分方程的发展开始的。1870年, 圣维南研究了河口潮汐波速问题, 并在1871年法国科学院的学会会刊上发表了两篇文章, 第一篇文章第一部分给出了新的波速公式, 并继续处理1870年所讨论的河口潮汐波速问题, 第二部分的题目是明渠非恒定流的理论和通用方程, 这就是圣维南非恒定流的偏微分方程。第二篇文章试图对连续方程和动量方程 (或称运动方程) 进行积分求解, 奠定了明渠非恒定流的理论基础。

由于非恒定流控制方程是非线性偏微分方程组, 且维数越高越复杂, 因此一般情况下并不能求得其解析解, 工程明渠非恒定流问题在早期主要应用原形观测、室内试验物理模型 (Physical Modeling) 和理论分析 (Theoretical Analysis) 几种方法。1910年Richardson发表了一篇采用偏微分方程数值分析的论文, 被认为是数值模拟方法应用于水力学的一个开端。

在明渠非恒定流的计算方法上, 1954年Lax, P.D. (拉克斯) 用有限差分方程代替偏微分方程求解明渠的非恒定流。1957年Stokei用特征线方法求解明渠非恒定流的偏微分方程, 1962年Richtmyer发表了有限差分方法在明渠非恒定流计算中的应用一文。1964年Gelfand采用双扫描法求解明渠的非恒定流方程, 1967年Liggett用有限差分法求解明渠非恒定流方程。1969年Martin对明渠调节池的波动进行数值模拟。1970年Strelko提出圣维南方程的数值模拟方法。1976年Chandhry发表明渠瞬变流的数值模拟一文, 1976年Coole用有限元法求解圣维南方程, 1976年Davis用有限元法计算明渠的非恒定流现象。

在明渠非恒定流数值模拟理论方面, 国内研究者也进行了大量研究。在明渠非恒定流的数值求解方法上, 国内学者己提出了不少思路, 但主要是针对河道或河网的非恒定流问题。武汉水利电力大学1980年曾专辑介绍了明渠非恒定流的基本理论和计算方法。林秉南 (1950) 提出特征线等时段法, 使非恒定流数值求解的工作量大大减小。钱木金、蔡云美提出了求解明渠非恒定流特征方程的混合网格法, 该方法综合了自然特征网格和固定特征网格法的优点, 稳定性易于满足, 计算格式为显式, 无需迭代求解。邓家泉针对传统模拟明渠水流方法所存在的问题, 提出了应用BGK模拟方法 (即由Bhatnagar-GrossKrood在1954年提出的碰撞函数模型法) 模拟明渠水流运动的可能性。他根据BGK波尔兹曼方程及明渠水流中微、宏观变量之间的基本关系, 导出了明渠水流运动的控制方程, 从理论上论证了利用BGK模拟方法模拟明渠水流的可行性。

结语:近30年来, 由于电子计算机的普及和应用, 明渠非恒定流的研究特别是特征线理论的运用大大提高。通过正确的分析和大量的计算, 从大量实测资料中整理出明渠非恒定流的运动规律, 并将这些规律应用于工程预报。一维明渠非恒定流己有通用的程序包, 并且比较成熟, 包括河网、分叉河道洪水波演算、电站日调节非恒定流均可计算, 计算应用了各种差分格式。实际问题有长江、黄河、辽河的演进, 三峡、葛洲坝、丹江口水电站日调节问题等。由于水利枢纽上下游水库与河道地形变化, 河口潮汐、湖泊环流、城市排水问题需要进行二维计算。今天特征线理论应用于明渠非恒定流的二维计算也获得了较快的发展。

参考文献

[1]安克瑞、郝树棠:《水力学和地下水动力学课教学中的几个问题》, 《山东建筑工程学院学报》, 1996年第3期。

[2]齐清兰、张力霆、李桐栋、薛运田、杨庆瑞、李秀辰:《复式断面渠道的流量计算方法》, 《河北工程技术高等专科学校学报》, 2001年第3期。

[3]冯达恩:《深圳供水水源工程西枝江抽水站取水口设计》, 《广东水利电力职业技术学院学报》, 2006年第2期。

[4]邹季刚、张艳萍:《〈水力学——描述水流运动的两种方法〉的教学设计》, 《教育信息化》, 2005年第7期。

小半径小断面圆形钢箱梁建造技术篇2

1 工程概况

某人形天桥为半径18 m的全焊箱形封闭圆形结构, 其断面为双室箱形, 箱形总宽2.8 m, 两侧设有宽0.75 m的翼缘。桥面总宽4.3 m, 箱形高度1 m, 下盖板宽度2.84 m。每个箱室内设有横隔板、纵肋、竖助, 箱形上、下盖板板厚分别为16 mm, 20 mm, 腹板板厚为16 mm;翼缘上盖板与箱形共用, 另外设有翼缘隔板和板厚10 mm的斜盖板和端封板;在桥面两边还设有U形路缘石。钢箱梁断面见图1。每孔桥跨中需按二次抛物线设35 mm上拱度。钢箱梁采用Q235-B钢材, 全桥钢箱梁总重约230 t。

2 结构特点及制造难点

1) 因该桥为小半径圆形结构, 其上下盖板、腹板、纵肋等之间的圆形匹配有一定的难度, 尤其是腹板、纵肋需按一定的圆形匀顺组装;且梁段接口精度要求较高, 包括上下盖板、腹板、纵肋等组装位置必须严格控制, 否则将难以达到梁段间的组焊要求。试装或安装时一旦出现相邻梁段接口圆弧不匹配将难以处理。2) 翼缘上盖板、斜盖板与箱段的匹配有一定的难度, 且有大量的仰焊焊缝, 焊接质量不易保证, 加之现场施工条件较差, 现场组焊作业需较长时间。3) 该桥箱内空间狭小, 箱高1 m, 单室箱宽1.4 m。梁段焊接工作量很大, 尤其是上盖板与腹板、隔板、纵肋的焊缝, 施焊难度较大。4) 为了保证钢箱梁安装组焊的要求, 箱段制作合龙段, 比理论加长200 mm。该合龙段在现场安装合龙时, 根据实际量测结果配切而成。

3 钢箱梁制造工艺设计

为了保证钢箱梁制造质量, 减少工地作业量, 同时满足运输要求, 在征得设计者及业主同意后, 除梁段横向分成三块外, 纵向分成12段制作, 运至工地吊装就位后焊接成桥。分段后每段钢箱梁长约10 m、重约20 t。

3.1 箱段制造

3.1.1 单元件制作

1) 上、下盖板:为了省料, 先接荒料后数控下料切出曲线。长度方向预留1‰收缩量;下盖板宽度公差0 mm~+3 mm, 上盖板宽度公差-1 mm~+2 mm。切割含下盖板切割两短边焊接坡口。上盖板两端预留20 mm二次切头量, 组焊成箱形后划线用小车切割, 并切出坡口。2) 腹板:为了起拱的需要, 腹板须根据工艺要求划线起拱, 采用小车精切, 并精切两短边及坡口, 宽度公差:两端500 mm范围内0 mm~+1 mm, 中间部位-1 mm~+2 mm。长向预留1‰收缩量。如果两端宽度公差不能保证, 可采取局部修磨的方式解决。3) 横隔板及竖肋采用数控精切下料, 对竖肋两短边进行加工, 长度公差0 mm~+1 mm。4) 纵肋:为了使箱口对接焊缝和纵肋对接焊缝错开, 且便于箱口处上、下盖板现场对接缝施焊, 箱口部位设置400 mm长的纵肋嵌补段, 箱段两端纵肋各缩短200 mm。采用门切机精切下料, 两端加工半V型坡口, 长度不留收缩量。纵肋嵌补段下料长450 mm, 一端加工半V型坡口, 另一端待试装时量配加工半V型坡口。

3.1.2 箱段整体组焊

1) 在地平台上设置拱度垫, 分别铺上上、下盖板并按线组装纵肋成上、下盖板单元。平位焊接:在设置拱度垫的平台上进行修整, 重点控制平面度和曲线度。2) 箱段在简易胎型上正位组装, 根据工艺拱度值设置拱度垫。先铺下盖板单元, 以纵横基准线为基准, 按线组装横隔板、腹板、竖肋等;对腹板必须保证圆曲线, 必要时进行强制对位, 组焊完并修整合格后组装上盖板单元。组装时应保证箱口尺寸。箱段焊接时, 两端200 mm范围内盖、腹板角焊缝暂时不焊, 待试装时调整至箱口匹配后进行定位焊接。

3.2 翼缘制作

翼缘在厂内制作单件, 在工地拼装场组装到箱段上。1) 厂内单元件制作:翼缘上、斜盖板按每4 m左右一段, 数控下料, 长向预留3 mm收缩量;翼缘隔板采用数控下料;翼缘端封板按每4 m左右一段门切机精切下料。同时, 翼缘段在每个梁段接口设置500 mm~600 mm的嵌补段。2) 现场组装:箱段上划线组装翼缘隔板、翼线上盖板及斜盖板、端封板形成梁段整体, 待钢箱梁架设之后, 先焊接钢箱梁接口焊缝后再组焊翼缘嵌补段。

3.3 桥面路缘石制造

考虑到该件整体制造有一定难度, 按3 m左右分段制作成焊接件。即断面分成三块板制作, 其中水平板采用数控精切下料。采用简易拼胎组装成整体。

3.4 厂内试装

为了节省工地安装时间, 箱段在厂内分成两次进行试装。每次试装七段, 其中第一次试装后留两端段, 参加第二次试装。箱口间预留3 mm缝隙, 垫出拱度, 调整至箱口匹配后定位焊端部预留的盖、腹板主角焊缝, 并组焊箱口匹配件;根据箱口处的上、下盖板纵肋间距配制纵肋嵌补段;做好匹配件、嵌补段等位置标志, 以利工地安装。

3.5 涂装工艺

所有钢板在下料前均按工艺进行预处理, 并预涂20μm车间漆。对箱梁成品的具体涂装要求如下:1) 箱梁外部, 成箱后打砂除锈达到Sa3级 (桥面除外) 。利用电弧喷铝工艺, 铝层厚度100μm~150μm, 不涂封孔剂, 待架设完后涂装并进行装修。2) 对箱梁内部及其翼缘内部、上盖板外表面, 成箱后对焊接部位进行人工除锈达到Sa2.5级, 并对整个箱体内部、翼缘内部涂环氧沥青漆一道125μm。上盖板外表面仅对损伤部位补涂车间漆。

3.6 现场箱段安装

3.6.1 箱段安装工艺流程

箱段接口对位→横向环缝除锈→贴陶瓷衬垫→单面焊双面成型焊接→探伤→修整→组焊翼缘嵌补段→修整→组焊桥面路缘石→铲磨→除锈→涂装。

3.6.2 箱段安装要点

每个箱梁至少设置3个临时支撑, 确保安全。将梁段用两台20 t汽车吊吊装就位于临时支撑上, 用箱口对位匹配连接件使钢箱梁达到安装状态, 全面检查并调整钢箱梁接口的吻合程度、间隙尺寸及接头坡口尺寸。采用可回收式喷丸除锈机对焊缝两侧50 mm范围除锈后焊接。

3.7 焊接工艺实施

1) 上盖板、翼缘上盖板横向对接:采用开单面V型坡口, 加钢衬垫, CO2气体保护焊打底, 埋弧自动焊盖面。2) 下盖板对接:采用单面V型坡口, 背面加陶质衬垫, CO2气体保护焊施焊。为便于焊接, 腹板开过焊孔采用带切口的填充成型板焊堵后磨平。3) 腹板及纵肋对接:采用单面V型坡口, 用CO2气体保护焊, 在立焊位置焊接, 坡口的第一道打底焊前背面贴陶质衬垫[TG-1.02 (10/0.66) ] (见图2) 。4) 上盖板与冀缘上盖板纵向对接:采用开半V型坡口, 加钢衬垫, CO2气体保护焊焊接 (见图3) 。5) 其他翼缘件的焊接。翼缘端封板对接按立焊位置在外侧焊接 (见图4) ;翼缘斜盖板的对接焊坡口尺寸见图5。均采用CO2气体保护焊焊接。为保证翼缘上盖板与翼缘隔板密贴, 在与翼缘隔板相贴处的翼缘上盖板上单件时用钻床均布钻制20孔6个, 组装后塞焊、磨平。

4 结语

圆形钢箱梁天桥具有美观、实用等优点, 因而被城市规划人员、桥梁设计者和许多市民看好。该类钢箱梁看似简单、制造却有一定难度, 本桥由于采用了合理的制造和架设方案, 仅用两个半月就顺利完成了该项目, 且制作、安装质量优良, 可供类似钢箱梁制造时借鉴。

参考文献

[1]JTG/T F50-2011, 公路桥涵施工技术规范[S].

圆形断面篇3

溪洛渡水电站位于金沙江下游四川省雷波县和云南省永善县境内, 是金沙江下游河段开发规划的第3个梯级。溪洛渡电站规模大, 混凝土双曲拱坝坝高278 m, 正常蓄水位600.0 m, 有效库容115.7亿m3, 调节库容64.6亿m3, 发电及防洪共用库容46.5亿m3, 总装机容量12 600 MW。该工程以发电为主, 兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合效益, 并可为下游电站进行梯级补偿。

泄洪建筑物由“坝身7个表孔+8个深孔, 左右岸边各布置2条有压接无压洞内龙落尾泄洪隧洞”组成。泄洪洞有压段采用圆形断面, 内径为7.5 m, 围岩为Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ四类, 其中前三类围岩开挖外径为8.6 m, Ⅳ类围岩开挖外径为8.8 m。无压段采用城门洞型断面, 围岩类别与有压段类似。溪洛渡水电站水头高、泄量大、河谷狭窄, 泄洪功率大, 泄洪功率堪称拱坝枢纽世界之最。衬砌混凝土一旦裂缝, 在长期高速水流作用下, 极有可能产生空蚀导致破坏, 裂缝渗水也可能造成围岩不稳定, 直接影响甚至威胁到安全泄洪。而且泄洪洞有压段深埋于地下, 检修困难。因此, 采用三维有限元法模拟衬砌混凝土的施工过程, 进行温度和温度应力仿真计算分析, 研究有效防止裂缝产生的温控措施具有十分重要的意义。

2 温度场与温度应力场的计算分析

2.1 计算基本参数资料

2.1.1 环境温度

环境温度主要包括气温、水温、地温和太阳辐射温升。溪洛渡泄洪洞衬砌混凝土施工属地下工程, 对温度场和温度应力造成直接影响的环境温度主要是气温和地温, 不考虑太阳辐射影响。根据洞内施工实测气温资料和当地气象部门气温资料以及隧洞气温变化的实际特点, 采用余弦函数曲线模拟坝址处该年第天的气温, 公式如下:

$Τ_{a} = 23.5 + \frac{3}{2} \cos [\frac{2 π}{365} (t - 210)] (1)$

地温的分布较为稳定均匀, 一般地表附近接近月平均气温, 地表深10 m以上基本上就是年平均气温。泄洪洞深部围岩温度取为24℃。

2.1.2 衬砌混凝土的热学参数

溪落渡有压段泄洪洞衬砌混凝土热力学参数采用表1的试验成果。底拱采用常态混凝土C30, 边顶拱采用泵送混凝土C30。

2.1.3 衬砌混凝土的力学参数

溪落渡有压段泄洪洞衬砌混凝土力学参数采用表2的试验成果。

根据所提供的7 d、28 d、90 d的弹性模量, 参照文献[1]中图8-6-1, 夏季温度较高, 混凝土的早期弹性模量发展较快, 弹性模量随龄期τ变化的拟合函数为:

$E (τ) = a \times 10^{4} \times (1 - e^{- b τ^{c}}) (2)$

式中:系数a, b, c取值列于表3。

2.1.4 衬砌混凝土的徐变参数

根据混凝土徐变试验, 徐变拟合公式的函数表达式为:

$\begin{array}{l} C (t, τ) = (a_{0} + b_{0} τ^{- c_{0}}) \times \\ [1 - e^{- (a_{1} + b_{1} τ^{- c 1}) \times (t ~ τ)^{a^{2} + b_{2} \ln (τ + 1)}}] (3) \end{array}$

式中:τ为龄期, d;t～τ为持荷时间, d;a0、b0、c0、a1、b1、c1、a2、b2为公式系数, 列于表4。

2.1.5 围岩热力学参数

由于溪落渡泄洪隧洞工程缺少围岩热力学参数试验资料, 所以围岩热力学参数的选取, 参考三峡永久船闸输水隧洞围岩热力学参数值, 见表5。

2.2 计算模型及边界条件

在仿真计算分析中, 选取Ⅱ类围岩中1.1 m厚的衬砌结构段 (图1) 作为圆形有压段的代表, 衬砌浇筑长度为12 m。围岩弹性模量取为19 GPa, 泊松比为0.2。根据对称条件取衬砌段的1/4为计算对象。围岩径向范围取4倍洞径左右, 岩体和衬砌统一采用空间八结点等参单元, 结构段模型共划分三维块体单元10 452个, 衬砌中央横断面处混凝土块体单元尺寸不超过0.5 m。考虑施工缝处可能出现应力集中现象, 底拱与边顶拱之间施工缝处设置0.1 m厚薄层单元。有限元计算模型示于图1。z轴正向沿洞轴线往洞外, x轴为水平径向, y轴正向铅直向上。

衬砌混凝土从7月1日开始浇筑, 先浇筑底拱 (90°) , 后浇筑边顶拱, 间歇时间1个月。衬砌结构所受荷载主要为温度载荷、自重以及混凝土徐变变形产生的载荷。自重按施工浇筑过程分层施加, 不考虑围岩自重和徐变。时间步长的选取是根据温度场和混凝土的弹性模量变化规律以及精度要求来选定。

衬砌段结构对称面在温度场计算中为绝热边界, 属于第二类热学边界条件, 在应力场计算中该表面为法向约束;围岩周边距离衬砌段较远, 为绝热边界条件和全约束力学边界条件;模板在拆模前起法向约束作用;模板和衬砌混凝土表面是与空气热对流边界条件, 属于第三类热学边界条件。

在模拟分层浇筑的计算中, 上下相邻两混凝土的界面及混凝土与围岩的胶结面在被混凝土覆盖以前是与空气对流散热的第三类热学边界条件, 在应力场计算中该边界为自由的力学边界条件;被覆盖后, 界面上的力学边界和第三类热学边界条件都消失。

2.3 计算方案

计算方案列于表6。浇筑3天后拆模, 28天洒水养护。其中水管冷却方案采用PE管, 管径22 mm, 布置长度100 m, 水平和垂直间距分别为1.0 m和1.1 m, 通水流量为43.2 m3/h, 通水水温17℃, 自开始浇筑后通水10天。

3 计算成果分析

3.1 温度场分析

由于混凝土浇筑后的温度变化过程相似, 而边顶拱混凝土的绝热温升较大, 产生的水化热温升和温度应力也较大, 故选取基本工况下边顶拱中央断面代表点为例, 其330天的温度历时曲线示于图2。

计算表明, 从开浇时起, 衬砌混凝土温度场一般经历了水化热温升、温降、随环境气温周期变化3个阶段。在对泄洪洞混凝土衬砌底拱和边顶拱的全程分析当中, 基本工况下, 混凝土最高温度出现在浇筑完后第3天;采用水管冷却工况和降低浇筑工况下, 衬砌最高温度出现的时间都在第2天, 较基本工况提前1天;均出现在浇筑块的中央断面处。内表温差即中央与表面同步温差, 最大值均出现在浇筑后第4天。由于第31天后停止洒水养护, 混凝土表面温度有所回升, 之后的温度变化很平缓。底拱的相应各项值较边顶拱均小1～2℃。

浇筑近半个月后, 表面温度逐渐由接近最高温度降低到空气温度, 之后衬砌内部温度场较为稳定。浇后约一个月, 衬砌表面温度已基本趋同于洞内气温, 开始随气温作周期性 (年) 变化。冬季末 (次年2月) , 衬砌表面温度为22.20℃, 接近洞内年最低气温值22℃。各计算方案的温度特征值示于表7。

注:内表温差即衬砌中心点与表面点的温差。

从温度方面来看温控效果, 采用水管冷却方案, 衬砌中央处的最高温度较没有采用水管冷却的基本工况相比均下降2℃余, 各代表部位的内表同步温差有相应的减小2℃左右。降低浇筑温度至20℃时, 衬砌中央最高温度较基本工况降低5℃余, 各代表部位的内表同步温差减小3℃左右。浇筑温度每降低1℃, 衬砌的最高温度约降低0.74℃, 温差约降低0.43℃。

3.2 应力场计算成果分析

计算温度场的目的也是为得到混凝土温度应力的发展过程和分布规律, 因此对应力场进行计算分析是极为重要的。对计算应力成果整理分析发现, 端部Z=1 m附近的早期拉应力较大, 而Z=6 m附近冬季拉应力较大。边顶拱温度应力较大, 故选取边顶拱Z=1 m和Z=6 m特征部位来说明混凝土的发展过程, 其应力的发展过程示于图3和图4。

计算表明混凝土表面受拆模影响, 温降速度加快, 在早期第4天左右产生了较大的拉应力, 而混凝土早期的抗拉强度又较低。基本工况条件下, 底拱表面在4天的时候, 主拉应力已经达到1.1 MPa (底拱混凝土第4天的抗拉强度约为1.2 MPa) , 边顶拱第4天主拉应力为1.31 MPa (边顶拱混凝土第4天的抗拉强度约为1.32 MPa) , 抗裂安全系数均未达到1.1。Z=1断面处最大拉应力出现在第6天, 后期拉应力较小, 安全系数较高, 所以从计算结果来看很有可能产生早期裂缝, 冬季不会出现裂缝。

Z=6 m附近, 早期和中期拉应力值均较小。拉应力缓慢增大, 沿厚度方向由表面向围岩侧应力场分布表现为递减。在浇筑210天左右拉应力达到最大值。由于此时混凝土的抗拉强度已经达到较大值, 冬季抗裂安全系数满足要求, 也不会产生裂缝。另外衬砌为圆形断面, 因浇筑混凝土的自重产生压应力作用, 边顶拱Z=6 m处应力铅直应力 y与轴向应力 z值比较, y一般大于 z。

各温控方案边顶拱的特征应力和抗裂安全系数列于表8。从应力方面来看温控效果, 采用水管冷却, 因最大内表温差减小, 各部位早期最大拉应力较基本工况有所减小, 抗裂安全系数得到提高, 但仍没有足够的抗裂保证, 端部Z=1 m处第4天的抗裂安全系数仅有1.15;冬季拉应力略微下降, 但影响很小。降低浇筑温度至20℃, 早期拉应力减小0.3 MPa以上, 冬季拉应力出现的量值和范围均明显减小, 抗裂安全系数有很大提高, 此温控方案方案可以防止温度裂缝的产生。

注: 为第i天的主拉应力; 为第i天的抗裂安全系数;-为负值, 表示压应力。

3.3 裂缝发展规律分析

对计算应力成果整理分析发现, 各部位的温度应力变化一般经历了压应力增长、压应力减小、产生拉应力、拉应力平稳增长、拉应力快速增长并达到最大值、拉应力再减小、而后进入随气温周期性变化这样一个过程。而且, 随时间的变化, 拉应力区域和最大拉应力出现的部位也会明显改变。

(1) 对于泄洪洞混凝土衬砌, 结构段端部混凝土受端部拆模影响, 沿轴向的约束释放, 使得端部混凝土的拉应力与早期温度应力叠加, 而结构段中央部位混凝土受此影响较小, 因此, 衬砌的早期最大拉应力出现端部附近Z=1 m表面, 即, 如果早期产生裂缝一般会首先在距端部1 m附近开始。

(2) 另外, 由于先浇底拱混凝土已接近环境温度, 新老混凝土的温差较大, 在施工缝及其上部会产生较大的拉应力, 也可能产生早期裂缝, 施工缝张开甚至裂缝向新浇边顶拱发展, 这也是第二个早期易产生裂缝的区域。

(3) 随着时间的推移, 拉应力最大的部位由端部和施工缝逐渐向中部移动。至冬季受环境温差影响, 在中央横断面附近的表面拉应力达到最大值。即, 如果衬砌混凝土早期发生了裂缝, 这时会进一步向中部扩展。端部和施工缝处发生的早期裂缝, 可能在中部附近连通, 形成弧形裂缝 (如深溪沟水电站导流洞) ;也可能各自斜向发展, 形成多条斜裂缝 (如溪洛渡水电站导流洞) ;如果结构长度明显大于高度方向尺寸, 则也可能各自形成铅直裂缝, 如三峡水利枢纽永久船闸输水隧洞。

而全结构段的中央横断面 (z=6 m) 的早期应力并不是最大。如果早期产生裂缝, 一般会首先出现在端部1 m附近。在冬季, 受环境温差影响最大, 此时中央横断面附近的表面拉应力达到最大值。

4 结语

综合以上计算分析, 溪洛渡泄洪洞在夏季施工若除洒水养护之外不采取其他温控措施, 早期和冬季都极有可能产生温度裂缝。水管冷却有效降低了早期最高温度和温差, 但应力改善效果并不明显, 早期抗裂安全系数还不够, 早期还有可能发生裂缝。降低浇筑温度至20℃, 从计算结果看此方案满足温控防裂要求, 可以有效防止温度裂缝的产生。

参考文献

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京.中国电力出版社, 1999:13-24.

[2]美国ANSYS公司北京办事处.ANSYS热分析指南[Z].2000:2-4.

[3]龚召熊.水工混凝土的温控与防裂[M].北京.中国水利水电出版社, 1999.

[4]吴家冠, 段亚辉.溪洛渡水电站导流洞边墙衬砌混凝土通水冷却温控研究[J].中国农村水利水电, 2007, (9) :96-99.

【圆形断面】推荐阅读：

圆形特征论文07-27

圆形储煤场08-31