热—结构耦合分析在漕河渡槽三向预应力结构优化中的应用（孟旭央,翟利军,毛爱梅）

［摘 要］ 对漕河渡槽有限元模型的建立进行了研究，计算了漕河渡槽在热、压力载荷作用下的温度场、应力及变形，并进行了热——结构耦合分析，得到并分析了漕河渡槽的槽身在实际工况下的应力场，校核其安全性，为渡槽结构更深入地分析研究提供了参考。

［关键词］ 大流量渡槽 热-结构耦合 边界条件 热传导

1工程概况

漕河渡槽位于河北省满城县城西约9km的神星镇与荆山村之间，其设计起始桩号V375+357，终止桩号V377+657，全长2 300m，进、出口底高程在62.24～61.53m，设计流量125 m３/s，加大流量150m３/s，为Ⅰ级建筑物。防洪标准100年一遇设计；300年一遇校核。河道右岸一、二阶地简称旱渡槽段，河道宽谷简称主河槽段，河床高程在42.1～44.5m，第四系覆盖层厚10～29.9m。

槽身段由桩号V375+412～V377+611，长2 199m。输水槽采用三槽一联的预应力钢筋混凝土结构方案。台地段20m跨多侧墙结构接主河槽段30m跨多侧墙段。

2工程布置

3热—结构耦合分析方法

用热—结构耦合分析模拟温度作用对渡槽槽身的应力影响；

基于ANSYS程序的耦合场分析是指考虑了两个或多个工程物理场之间相互作用的分析，过程依赖于所耦合的物理场，所有的耦合场分析方法可分为两大类：顺序耦合和直接耦合。

顺序耦合方法包括两个或多个按一定顺序排列的分析，每一种属于某一物理场分析，通过将前一个分析的结果作为荷载施加到第一个分析中的方式进行耦合。直接耦合方法只包含一个分析，它使用包含多场自由度的耦合单元。通过计算包含所需物理量的单元矩阵或荷载向量的方式进行耦合。

对于多场的相互作用非线性程度不是很高的情况，顺序耦合法更有效，也更灵活，因为每种分析是相互独立的。顺序耦合可以是双向的，不同物理场之间进行相互耦合分析，

直到收敛到一定精度。本文采用顺序耦合法对漕河渡槽的温度应力进行了计算。先对渡槽进行热分析，求解其温度场，然后将热分析中得到的节点温度作为“体荷载（body loads）”应用到随后的结构分析中去，计算出结构的整体应力。

4温度场仿真

在混凝土结构仿真分析中，温度是基本作用荷载。混凝土结构温度变化是一个热传递问题，用有限元法求解有下面几个优点：①容易适应不规则边界；②在温度梯度大的地方，可局部加密网格；③容易与计算应力的有限单元法程序配套，将温度场和应力场二者统一在一个程序计算中。仿真应力计算中需考虑混凝土温度、水压、自重、自生体积变形和干缩变形等的作用。

均匀、各向同性固体温度场满足（1）式的微分方程：

式中：τ——时间；λ——导热系数；ρ——密度；c——比热；a——导温系数（m２／h）；θ——绝热温升；T＝T (τ)——C1边界上的给定温度；q＝q(τ)——C２边界上的给定热流；β——C3边界上表面放热系数。Ta——在自然对

流条件下，Ta是外界环境温度；在强迫对流条件下， Ta是边界层的绝热壁温度。

上述热量平衡方程（1）属于抛物线型的微分方程。式中第一项是由x，y，z方向流入微元体的热量；第二项是微元体内热源产生的热量；最后一项是微元体升温需要的热量。微分方程表明：微元体内升温所需的热量应与传入微元体的热量以及微元体内热源产生的热量相平衡，即能量的守恒。

在C１边界上给定温度T-(τ)，称为第一类边界条件；它是强制边界条件；

在C２边界上给定热流量q(τ)，称为第二类边界条件；当q＝０时就是绝热边界条件；

在Ｃ3边界上给定对流热交换条件，称为第三类边界条件。

在C１边界上的温度条件要首先得到满足，C２、Ｃ３边界条件是自然边界条件，在求解过程中自然得到满足。

5计算模型

因渡槽各跨为单独的简支结构，因此在本次计算时取一个整跨来计算，其中体单元采用solid95号单元，其在热分析时可转化为solid90号单元进行计算。共剖分solid95号单元246880个；其中曲线预应力筋采用link8单元进行模拟，共剖分link8单元3 100个。计算模型见图2。

6温度条件

南水北调中线总干渠常年输水，建筑物在冬季运行和夏季运行时必然会遇到气温降低和气温升高的情况，这时槽内外的温差有可能导致裂缝的产生。温差的数值根据当地气象资料，冬季输水工况，温度计算时取渡槽外表面温度－10℃，槽内水温4℃；夏季输水工况，温度计算时取渡槽外表面阳面温度41℃，阴面温度35℃，槽内水温28℃。设计封仓温度24℃。

7工况组合

8结果分析

1）由于渡槽受日照影响，渡槽内侧因为有水而温度较低，外侧温度较高，在日照温度荷载的作用下，渡槽内侧因温度较低而膨胀变形较小，渡槽外侧因温度较高而膨胀变形较大。在日照温度荷载的作用下，各部位的应力值规律比较明显，渡槽内侧相对于渡槽外侧因膨胀变形较小而呈三向受拉趋势；而渡槽外侧则呈三向受压趋势。

2）由于渡槽受冬季降温影响，渡槽内侧因为有水而温度较高，外侧温度较低，在这种温度荷载的作用下，渡槽内侧因温度较高而收缩变形较小，渡槽外侧因温度较低而收缩变形较大。在冬季温度荷载的作用下，各部位的应力值规律比较明显，与夏天工况结果相反，渡槽内侧相对于渡槽外侧因收缩变形较小而呈三向受压趋势；而渡槽外侧则呈三向受拉趋势。

以下为底肋、侧肋及纵墙各控制点预应力施加前后混凝土应力比较表：

9结语

1）在建成无水及正常运行工况中，各部位正应力均为压应力，满足一级抗裂设计要求。

2）在冬季工况（内、外温差14℃）中，底板出现了一定范围的拉应力，最大拉应力为1.56MPa；侧肋最大拉应力为1.56MPa；边墙底部出现1.38MPa的拉应力。不满足一级抗裂设计要求，虽然满足二级抗裂设计要求，但是局部拉应力较大，考虑到其工程的重要性，应采取一定的工程措施，降低拉应力值。

3）对渡槽进行了热—结构耦合分析，得出并分析了温度及其它荷载对渡槽的变形及应力影响，为类似工程的深入研究提供理论参考。