关键词：
渡槽
湿热耦合
温度梯度
应力
保温
摘要：
为解决我国西北地区水资源缺乏问题,已在国内启动了一系列调水工程,作为水利工程中最常见的输水建筑物,渡槽在调水工程中应用非常广泛。渡槽在运行期间常年受到极端天气的影响,内部温度分布不均匀,渡槽内外温差大,从而使渡槽表面产生裂缝。槽内长时间与流动的水体接触,受到水位变化和水温变化的影响,导致渡槽内部沿板厚方向的湿度呈不均匀分布,进而渡槽表面出现湿胀变形而形成裂缝,这种裂缝对渡槽长期输水的安全性产生不利影响。因此,本文以西北地区气候为研究背景,首先运用傅里叶定律和菲克第二定律,根据导热系数、湿度扩散系数建立混凝土湿热耦合关系,并确定不同环境下混凝土渡槽温湿度场的定解条件。其次,进行混凝土内部温湿度监测试验,对不同初始温度和湿度下混凝土内部相对湿度和温度变化规律进行了分析。最后,结合实际工程和环境参数开展有限元模拟,模拟箱形渡槽横截面温度分布、竖向和横向温度梯度分布,不同深度处的湿度场分析,得到适合我国西北地区混凝土箱形渡槽的竖向温度梯度模式。通过数值模拟分析不同荷载工况下渡槽底板和腹板的应力场和变形场。对渡槽表面采用保温隔热材料后的湿热耦合效应进行研究,比较有无保温材料前后以及不同厚度保温板时渡槽的拉应力变化。通过计算可知:
(1)在等温条件下,越靠近加湿机一侧的试件内部测点湿度变化速率越快,试件两侧湿度差越大,湿度扩散速率越快。初始相对湿度为定值时,温度对试件湿度扩散影响较小。
(2)在等湿热条件下,距离加热板越近,混凝土内部温度变化速率越大,混凝土两侧温差为30℃较为突出。混凝土内部湿度越高,各测点温度速率越快,温升幅度也会越大。根据菲克第二定律得出,由于湿度会从高浓度的部位向低浓度迁移,温度越高,混凝土内部的水分扩散的速度越快。
(3)渡槽槽内水温恒定,渡槽外表面直接接受太阳辐射的影响,湿热非耦合场与湿热耦合场差值较大,由此得出湿热耦合作用对渡槽温度场的影响较显著。
(4)在夏季,渡槽顶板与腹板之间的最大温差远大于冬季最大温差的绝对值,但底板与腹板之间温差则较为接近。冬季箱形渡槽底板竖向最不利负温差的绝对值高于顶板,冬季渡槽北腹板的最不利温差低于南侧腹板温差。
(5)随着不间断的输水,渡槽内部湿度沿板厚方向表现出不均匀分布。在不同季节下,受渡槽槽内水温的影响,腹板浸润深度范围内温差较小,因此可以忽略不同季节下温度作用对渡槽外表面湿度场的影响。
(6)夏季工况下,渡槽出现初始温度应力和初始湿度应力。湿度作用使底板外表面拉应力增大,腹板内表面拉应力减小,而初始升温作用导致底板外表面拉应力减小,腹板内表面拉应力增大,且两者可以相互抵消。不同季节下,日照作用是渡槽应力场变化的主要因素,均使得底板外表面拉应力减小,腹板内表面拉应力增加。
(7)渡槽混凝土表面经过保温隔热材料处理后,渡槽竖向温度梯度变化幅值较大,故渡槽混凝土表面外加保温隔热板对渡槽的竖向温度梯度的影响较大。渡槽外加聚氨酯保温板对底板拉应力降低较为显著,所以聚氨酯保温板对冬季低温或者寒潮地区混凝土渡槽进行表面保温;渡槽外加聚氨酯隔热板对腹板拉应力降低较为显著,所以外加聚氨酯保温隔热板以减小渡槽表面的拉应力,延长渡槽的运行寿命。
