倒虹吸管身冬季施工溫控仿真分析及應(yīng)用實(shí)例.pdf

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1、第26卷2010笠第7期7月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)TransactionsoftheCSAEVrol-26No．7Jul．2010175倒虹吸管身冬季施工溫控仿真分析及應(yīng)用實(shí)例郭磊1，汪倫焰1，許慶偉2(1．華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，鄭州450045；2．黃河建工集團(tuán)有限公司，鄭州450052)摘要：倒虹吸管是輸水引水及灌溉工程中的一種鶯要交叉建筑物。針對管身混凝土結(jié)構(gòu)施工期易開裂問題，認(rèn)為結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差、基礎(chǔ)溫差是這類裂縫產(chǎn)生的主要原因。結(jié)合混凝士溫度場應(yīng)力場的基本原理的精確算法，通過=三維有限單元法對施工期沁河倒虹吸進(jìn)行仿真計(jì)算，分析混凝土施工期應(yīng)力場的時(shí)

2、空變化規(guī)律，得出管身裂縫容易出現(xiàn)的部位。首次在南水北調(diào)中線工程焦作市段采用了模板外面貼高壓聚乙烯苯板的保溫方法，計(jì)算結(jié)果表明，混凝土的允許抗拉強(qiáng)度能達(dá)到1．6的安全系數(shù)，因而得到成功的防裂效果，值得類似上程應(yīng)用推廣。關(guān)鍵詞：倒虹吸，溫控防裂，溫度場，仿真計(jì)算doi：10．39690．issn．1002—6819。2010．07．031中圖分類號：TV521，TV672+．5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：l002—6819(2010)一07～0175-06郭磊，汪倫焰，許慶偉．倒虹吸管身冬季施工溫控仿真分析及應(yīng)用實(shí)例[d]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(7)

3、：175—180．GuoLei，WangLunyan，XuQingwei．Simulationandapplicationonconcrctetemperaturecontrolmeasuresforinvertedsiphonsinwinter[．q．TransactionsoftheCSAE，2010，26(7)：175—180．(inChinese誦thEnglishabstract)0引言在南水北調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施T程建設(shè)當(dāng)中，有很多渡槽、倒虹吸、涵洞、擋土墻和泵站等混凝土結(jié)構(gòu)，這類結(jié)構(gòu)相對大壩而言比較單薄，施工期容易產(chǎn)生溫度和收縮裂縫【卜7

4、。20

5、世紀(jì)初，美國等西方國家就開始大體積混凝土溫控與防裂的研究，取得了顯著的成果，并在水利水電工程實(shí)踐中得到廣泛的應(yīng)用。中國從20世紀(jì)50年代才開始進(jìn)行這方面的研究，80年代以后，隨著大型水利水電工程相繼開展，混凝七溫度防裂研究也進(jìn)一步深入和發(fā)展，取得了可觀的成果，并達(dá)到了世界先進(jìn)水平。在大體積混凝土溫度應(yīng)力分析方面基本上成熟，但在溫控與防裂措施方面，尚需進(jìn)一步研究補(bǔ)充與創(chuàng)新，尤其是在特殊季節(jié)條件下的防裂舉措方面需要針對具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門研究。倒虹吸管是輸水引水及灌溉工程中的一種重要交叉建筑物。因而其結(jié)構(gòu)的安全性顯得十分重要，根據(jù)DL．T5144．2001《

6、水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定，工程所在地的日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定在5℃以下或最低氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定在一3℃以下時(shí)，即進(jìn)入低溫季節(jié)施工期。沁河倒虹吸管身段共67節(jié)，其施工安排和施工強(qiáng)度的高低決定著整個(gè)工程的工期；同時(shí)管身段應(yīng)充分結(jié)合河道非汛期和汛期水文特點(diǎn)來進(jìn)行分節(jié)分段施工，在非汛期和汛期分別施工不同的管段。由于施工任務(wù)的特殊性，必須在嚴(yán)寒季節(jié)進(jìn)行施工，混凝土易受早期凍害，而沁河倒虹吸所在地理位置于2010年初遇到了建國以來的最大一次寒潮，因此，對其澆筑過程中的混凝土防裂仿真計(jì)算顯收稿時(shí)間：2009-01-24修訂時(shí)間：2010-03-26基金項(xiàng)目：國家自然

7、科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50579080)作者簡介：郭磊(1980一)，男，信陽人，博士，從事水工混凝士溫控防裂研究。鄭州華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院。450045。Emaih咖ss@126．eom得十分必要。大型倒虹吸由于其結(jié)構(gòu)無主梁、次梁的特殊性，類似的防裂經(jīng)驗(yàn)偏少，尤其在深冬季節(jié)施工。通過仿真計(jì)算，得到管身混凝土容易發(fā)生裂縫的危險(xiǎn)部分，進(jìn)而采用有效的溫控措施和合理的施工工序，其模板外面貼高壓聚乙烯苯板的保溫防裂方法首次運(yùn)用在南水北調(diào)中線工程焦作市段，從而達(dá)到管身混凝土的防裂效果。1基本理論與仿真計(jì)算方法1．1非穩(wěn)定溫度場計(jì)算在計(jì)算域尺內(nèi)任何一點(diǎn)處，不穩(wěn)定

8、溫度場T(x，Y，z，0須滿足熱傳導(dǎo)方程～c3T：afl塑+塑+塑1+盟(1)——=—了+—了+——■l十o?西L西‘砂‘出‘／af式中：r——溫度，℃；D——導(dǎo)溫系數(shù)，m2／h；00——混凝土絕熱溫升，℃；f——時(shí)間，d；f——齡期，d。利用變分原理，對式(1)采用空間域離散，時(shí)間域差分，引入初始條件和邊界條件后，可得向后差分的溫度場有限元計(jì)算遞推方程【8】為舊+擊叫以+I}一擊啤】{珊“Rl}．0Q’式中：【明——熱傳導(dǎo)矩陣；[R】——熱傳導(dǎo)補(bǔ)充矩陣；{死}和{nl}_一結(jié)點(diǎn)溫度列陣：{R+l}——結(jié)點(diǎn)溫度荷載列陣；刀——時(shí)段序數(shù)；缸——時(shí)間步長

9、。根據(jù)遞推公式(2)，有已知上一時(shí)刻的結(jié)點(diǎn)計(jì)算溫度{死)可以推出下～時(shí)刻的結(jié)點(diǎn)溫度{死+1}。1．3徐變應(yīng)力