倒虹吸管身冬季施工温控仿真分析及应用实例.pdf

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1、第26卷2010笠第7期7月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVrol-26No．7Jul．2010175倒虹吸管身冬季施工温控仿真分析及应用实例郭磊1，汪伦焰1，许庆伟2(1．华北水利水电学院水利学院，郑州450045；2．黄河建工集团有限公司，郑州450052)摘要：倒虹吸管是输水引水及灌溉工程中的一种莺要交叉建筑物。针对管身混凝土结构施工期易开裂问题，认为结构的内外温差、基础温差是这类裂缝产生的主要原因。结合混凝士温度场应力场的基本原理的精确算法，通过=三维有限单元法对施工期沁河倒虹吸进行仿真计算，分析混凝土施工期应力场的时

2、空变化规律，得出管身裂缝容易出现的部位。首次在南水北调中线工程焦作市段采用了模板外面贴高压聚乙烯苯板的保温方法，计算结果表明，混凝土的允许抗拉强度能达到1．6的安全系数，因而得到成功的防裂效果，值得类似上程应用推广。关键词：倒虹吸，温控防裂，温度场，仿真计算doi：10．39690．issn．1002—6819。2010．07．031中图分类号：TV521，TV672+．5文献标识码：A文章编号：l002—6819(2010)一07～0175-06郭磊，汪伦焰，许庆伟．倒虹吸管身冬季施工温控仿真分析及应用实例[d]．农业工程学报，2010，26(7)

3、：175—180．GuoLei，WangLunyan，XuQingwei．Simulationandapplicationonconcrctetemperaturecontrolmeasuresforinvertedsiphonsinwinter[．q．TransactionsoftheCSAE，2010，26(7)：175—180．(inChinese诵thEnglishabstract)0引言在南水北调基础设施T程建设当中，有很多渡槽、倒虹吸、涵洞、挡土墙和泵站等混凝土结构，这类结构相对大坝而言比较单薄，施工期容易产生温度和收缩裂缝【卜7

4、。20

5、世纪初，美国等西方国家就开始大体积混凝土温控与防裂的研究，取得了显著的成果，并在水利水电工程实践中得到广泛的应用。中国从20世纪50年代才开始进行这方面的研究，80年代以后，随着大型水利水电工程相继开展，混凝七温度防裂研究也进一步深入和发展，取得了可观的成果，并达到了世界先进水平。在大体积混凝土温度应力分析方面基本上成熟，但在温控与防裂措施方面，尚需进一步研究补充与创新，尤其是在特殊季节条件下的防裂举措方面需要针对具体结构进行专门研究。倒虹吸管是输水引水及灌溉工程中的一种重要交叉建筑物。因而其结构的安全性显得十分重要，根据DL．T5144．2001《

6、水工混凝土施工规范》规定，工程所在地的日平均气温连续5d稳定在5℃以下或最低气温连续5d稳定在一3℃以下时，即进入低温季节施工期。沁河倒虹吸管身段共67节，其施工安排和施工强度的高低决定着整个工程的工期；同时管身段应充分结合河道非汛期和汛期水文特点来进行分节分段施工，在非汛期和汛期分别施工不同的管段。由于施工任务的特殊性，必须在严寒季节进行施工，混凝土易受早期冻害，而沁河倒虹吸所在地理位置于2010年初遇到了建国以来的最大一次寒潮，因此，对其浇筑过程中的混凝土防裂仿真计算显收稿时间：2009-01-24修订时间：2010-03-26基金项目：国家自然

7、科学基金资助项目(50579080)作者简介：郭磊(1980一)，男，信阳人，博士，从事水工混凝士温控防裂研究。郑州华北水利水电学院水利学院。450045。Emaih咖ss@126．eom得十分必要。大型倒虹吸由于其结构无主梁、次梁的特殊性，类似的防裂经验偏少，尤其在深冬季节施工。通过仿真计算，得到管身混凝土容易发生裂缝的危险部分，进而采用有效的温控措施和合理的施工工序，其模板外面贴高压聚乙烯苯板的保温防裂方法首次运用在南水北调中线工程焦作市段，从而达到管身混凝土的防裂效果。1基本理论与仿真计算方法1．1非稳定温度场计算在计算域尺内任何一点处，不稳定

8、温度场T(x，Y，z，0须满足热传导方程～c3T：afl塑+塑+塑1+盟(1)——=—了+—了+——■l十o⋯西L西‘砂‘出‘／af式中：r——温度，℃；D——导温系数，m2／h；00——混凝土绝热温升，℃；f——时间，d；f——龄期，d。利用变分原理，对式(1)采用空间域离散，时间域差分，引入初始条件和边界条件后，可得向后差分的温度场有限元计算递推方程【8】为旧+击叫以+I}一击啤】{珊“Rl}．0Q’式中：【明——热传导矩阵；[R】——热传导补充矩阵；{死}和{nl}_一结点温度列阵：{R+l}——结点温度荷载列阵；刀——时段序数；缸——时间步长

9、。根据递推公式(2)，有已知上一时刻的结点计算温度{死)可以推出下～时刻的结点温度{死+1}。1．3徐变应力