混凝土箱形渡槽日照高温下结构安全研究

摘要：在分析箱形渡槽产生日照温差及温度应力的基础，利用ANSYS有限元软件对某渡槽日照温差及温度应力进行了有效的仿真模拟，结果表明：日照温差作用下，在混凝土箱形渡槽槽身内表面无论沿纵向和横向都将产生可观的温度应力，其值均已超过混凝土的抗拉设计强度。所以，在箱形渡槽槽身结构设计中对日照温差作用产生的温度应力必须予以重视，在设计中应配置适当的温度钢筋。

关键词：水工结构；箱形渡槽；日照温差；温度应力； 有限元软件

中图分类号：TV121 文献标识码：A 文章编号：

在太阳照射下，混凝土箱形渡槽的向阳外表面温度变化较大，而背阳外表面温度变化较小，且槽身的内表面与水流接触，其温度接近于水温，基本保持恒定，从而使渡槽结构内产生较大的温度梯度，即沿高度方向和板厚方向各纤维层的温度是不同的。当材料热胀冷缩，作用产生的温度变形受到结构内部纤维约束和超静定约束时，会在横向和纵向产生比较大的温度应力。

随着大跨度预应力箱形渡槽的建造数量不断增加，温度效应及其对箱形渡槽结构的影响越来越受到人们广泛关注和，国内外学者对钢筋混凝土箱梁桥的温度场和温度应力作了不少有益的研究与探讨[18]，并取得了相应的成果，积累了许多经验，使得其计算理论逐步得到完善。但是，各国规范规定的温度场（即温度梯度）模式选取方式有所不同，甚至国内的《铁路桥规》[9]和《公路桥规》[10]在选取温度梯度模式上也截然不同，以至于在同等条件下按照不同规范规定的温度梯度进行计算，结果在某些控制截面上会出现温度应力反号的情况。如果温度梯度模式选用不当，即使增大温度设计值，也不能保证结构的抗裂性。另一方面，渡槽箱身内为流动的水体，与箱梁桥的温度边界条件有很大的不同，所以研究渡槽温度场时，不能照搬箱梁桥温度场和温度应力的分析方法。目前因此工程界急需一套符合箱形渡槽日照温度边界特点的温度场和温度应力计算理论。本文在总结国内外温度场和温度应力研究成果的基础上，根据箱形渡槽温度边界条件的特点，通过有限元分析软件ANSYS对某箱形渡槽日照温度场和温度应力进行计算，给出了其温度场和温度应力的分布规律。

1 渡槽的热传导方程

3.2 ANSYS计算模型的建立

利用ANSYS对箱形渡槽二维平面温度场进行瞬态分析，选用四边形单元来划分网格。四边形单元采用PLANE13，这种单元是热-应力耦合单元，便于热与结构的耦合场分析计算。分析模型由1 146个单元和1 391个节点所组成。计算温度应力时，在原有平面模型的基础上，把平面单元PLANE13拉伸成实体单元SOLID5。实体单元是等截面简支静定体系，渡槽长48 m，渡槽在长度方向上共分为24个单元。在ANSYS软件中，渡槽纵向为Z轴，横截面在XY平面，且横截面的高度方向（竖向）为Y轴，宽度方向（横向）为X轴。把原平面单元上的线荷载转换成实体单元上的面荷载，即可通过原温度场的平面单元建立的温度应力得实体单元，见图1。

3.3 温度场计算结果

图2给出了箱形渡槽在中午14：00的温度等值线图。可看出，箱形渡槽的日照温差分布比较复杂，温度呈外高内低的趋势。从箱形渡槽各板的温度分布来看，顶板温度变化最剧烈，腹板次之，底板最小。顶板外表面大约在中午14：00左右出现最高温度，则此时形成最大竖向温差，温差呈二次曲线分布；东腹板外表面大约在上午11：00左右出现最高温度，西腹板外表面大约在15：30左右出现最高温度，此时腹板内外表面形成最大横向温差，温差呈二次曲线分布；底板外表面大约在15：00左右出现最高温度，温差呈二次曲线分布。

3.4 温度应力计算结果

简支箱形渡槽槽身的纵向温差应力，因没有纵向外约束，故只有纵向自约束应力。而箱形槽身横向温差应力包含横向自约束应力和横向框架约束应力两部分。下面给出了渡槽槽身温度应力分布云图和计算结果表，见图3图9和表3。

4 结语

本文运用有限元分析理论建立平面分析模型，借助有限元软件对渡槽日照温度作用效应进行了仿真模拟，得出如下结论。

（1）箱形渡槽的日照温度分布比较复杂，温度呈外高内低的趋势。从箱形槽身各板的温度分布来看，顶板温度变化最剧烈，腹板次之，底板最小。顶板外表面大约在中午14：00左右出现最高温度，东腹板外表面大约在上午11：00左右出现最高温度，西腹板外表面大约在15：30左右出现最高温度，底板外表面大约在15：00左右出现最高温度。

（2）截面宽度方向最大拉应力出现在顶板下缘，截面高度方向最大拉应力出现在腹板内壁处，截面槽身长度方向最大[HJ]拉应力出现在腹板内壁角隅处。

（3）日照温差作用下混凝土箱形渡槽槽身内表面将产生可观的温度拉应力，其值已超过混凝土的抗拉设计强度。所以，建议在箱形渡槽槽身结构设计中应配置适当的温度钢筋，以预防日照温差产生的温度应力的破坏作用。

参考文献（References）：

[1] 赵顺波，胡志远，李晓克.大型多纵梁式钢筋混凝土渡槽结构受力试验研究[J].水力发电学报，1999，18（3）：4251.（ZHAO Shunbo，HU Zhiyuan，LI Xiaoke.The Experiment Research of Reinforced Concrete Aqueduct with Multilongitudinal Beam[J]. Journal of Hydroelectric Engineering，1999，18（3）：4251.（in Chinese））

[2] 季日臣，陈尧隆.大型多纵梁矩形渡槽结构静力计算方法研究[J].[JP2]水力发电学报，2005，24（4）：8084.（JI Richen，CHEN Yaolong.The Study on Static Structure Calculation Methods of Large Rectangle Aqueduct with Longitudinal Beams[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2005，24（4）：8084.（in Chinese））[JP]

[3] 季日臣，夏修身，陈尧隆.骤然降温作用下混凝土箱形渡槽横向温度应力分析[J].水利水电技术，2007，38（1）：5052.（JI Richen，XIA Xiushen，CHEN Yaolong.The Analysis of Transverse Thermal Stress of Concrete Box Aqueduct under Falling Temperature[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2007，38（1）：5052.（in Chinese））

[4] 王长德，冯晓波.水工渡槽的温度应力问题[J].武汉水利电力大[HJ1.75mm]学学报，1998，31（5）：711.（WANG Changde，FENG Xiaobo.Thermal Stress Question of Hydraulic Aqueduct[J].Journal of Wuhan University，1998，31（5）：711.（in Chinese））

[5] 竺慧珠，陈德亮，管枫年.渡槽 [M].北京：中国水利水电出版社，2005：4246.（ZHU Huizhu，CHEN Deliang，GUAN Fengnian.Aqueducts[M].Beijing：Water Resource and Hydroelectric Engineering Publish，2005：4246.（in Chinese））

[6] 张元海，李乔.桥梁结构日照温差二次力及温度应力计算方法的研究[J].中国公路学报，2004，17（1）：4952.（ZHANG Yuanhai，LI Qiao.The Calculation Methods Research of Bridge Thermal Force and Stress under Solar Radiation[J].Journal of China Highway，2004，17（1）：4952.（in Chinese））

[7] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001：8388.（XIANG HaiFan.High Bridge Structure Theory[M].Beijing：People Traffic Publish，2001：8388.（in Chinese））

[8] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社，1991：94100.（LIU Xingfa.Thermal Stress Analysis of Concrete Structure[M].Beijing：People Traffic Publish，1991：94100.（in Chinese））

[9] [JP2]TB 10002.32005，铁路桥涵设计规范[S].（TB 10002.32005，Code for Design on Railway Bridge and Culvert[S].（in Chinese））[JP][ZK）]

[10] [ZK（#][JP2]JTG D602004，公路桥涵设计通用规范[S].（JTG D602004，Code for Design on Highway Bridge and Culvert[S].（in Chinese））[JP][FL）]