渡槽的冰膨胀力模型建立方法研究

【摘 要】本文针对渡槽冰温度膨胀力进行了对冰层和槽身建立整体平面有限元模型建立研究。对冰层和槽身建立整体平面有限元模型，将温度变化作为体荷载施加在模型上进行结构分析。该方法将冰层和槽身整体建模，充分考虑了冰层与结构的相互作用和温度变化对混凝土材料的影响，是对实际情况更为真实的一种模拟。

1 工程概况

本文选取南水北调中线工程某渡槽初涉阶段方案进行分析。

某渡槽全长270m，共分为9跨，单跨长30m。渡槽为三槽一联带拉杆式预应力钢筋混凝土矩形槽，混凝土强度等级为C50，槽身断面尺寸为宽7.0m×高6.7m×3槽，槽身纵墙尺寸中墙厚0.7m，边墙厚0.6m，底板为肋板结构，板厚0.4m，肋间距2.5m，断面尺寸为0.4m×0.6m。纵墙顶设间距为2.5m的拉杆，断面尺寸为0.3m×0.5m。纵墙顶部设翼缘板，边墙翼缘板宽2.7m，中墙翼缘板宽3.0m。槽身纵墙底板以下增设宽1.3m（边墙）和1.5m（中墙），高均为1.5m的纵向大梁。

某渡槽支承结构型式为实体重力墩扩大基础，钢筋混凝土结构。基础底面尺寸为7.5 m×28.6m，厚2.0m，墩高8.596 m～13.933m，厚3.5m，墩帽高2.5m，宽5.50m，长25.8m。

某渡槽设计流量220m3/s，加大流量240m3/s。设计水深5.58m，加大水深5.98m。 1℃，假定与水的接触面为0℃并且设为恒定，假定冰层的温度场初始时刻达到热力平衡。

3.2 冰温度膨胀力对结构的影响

要讨论冰温度膨胀力对渡槽结构的影响，需将先前计算所得的冰层热应力作为一个荷载施加在渡槽上进行结构计算。可求得不同温升时间温升10℃后冰层厚度0.3m的冰层的平均热应力。稳态温升10℃的温升情形计算所得的冰层平均热应力值最大，因此，在进行冰温度膨胀力对渡槽结构的影响分析时，选取冰膨胀力为稳态温升10℃温升情形时计算所得的冰膨胀力。

表2列出了冰冻后考虑冰荷载的计算结果。

表2 考虑冰荷载的计算结果 单位：MPa

考虑冰荷载计算结果

由表2可知，考虑冰荷载后， 由于第一主应力的极值已经达到了2.75MPa，达到了C50混凝土的抗拉强度标准2.75MPa，在带冰盖运行的情况下，渡槽会开裂破坏，甚至有可能因为超过抗拉强度而发生整体的拉裂破坏。渡槽是输水结构，规范中要求是严格不开裂的，所以根据计算结果，该渡槽结构不应该带冰盖运行，需要进行破冰处理。

4 冰层建于结构中分析方法

冰层建于结构中分析，考虑了冰层与结构间的相互作用，同时考虑了外界温度的变化对渡槽槽身引起的温度应力。对冰层而言，在实际槽身中加入冰层进行建模计算，是对带冰盖运行的渡槽结构计算的更为真实的模拟。

5 建立平面有限元模型

现有水工建筑物设计规范主要对作用于坝面或其它宽长建筑物的静冰压力列表给出了不同冰层厚度（0.4m、0.6m、0.8m、1.0m及1.2m）的静冰压力标准值（表中未出现的冰层厚度可以内插求得），而结构计算中往往用现有的规范或工程经验给出的冰压力标准值代替实际静冰压力值进行计算，这样得出的结果往往不能真实模拟冰层热应力对结构的影响，只能作为一种辅助的设计手段。为了更好的研究冰层热应力在不同冰层厚度（考虑到南水北调渡槽所处的地理位置，分别选取0.3m、0.4m、0.5m和0.6m的冰层厚度进行建模分析）和不同温升速率情况下对结构的作用，将冰层真实的模拟在结构中，本次计算进行了平面有限元建模分析。

坐标原点定为单跨渡槽跨端底板上表面中槽中心点处。三轴的方向确定为①X轴：垂直于水流方向，符合右手螺旋定则；②Y轴：铅直方向，由下至上为正；③Z轴：顺水流方向，下游为正。

模型范围：由于渡槽槽身的纵向支撑形式为简支粱式，且具有结构与荷载的对称性，故可取沿槽身断面的对称中心线截取1/2部分进行建模计算。

预应力钢筋采用等效荷载法进行模拟，