箱形渡槽冬季输水工况温度应力和表面保温研究

摘要

我国水资源时空分布不均且人均水量不足,这导致我国部分地区水资源严重短缺。为了解决我国水资源分布不均匀与供水需求不完全适应的问题,我国修建了一系列跨地区、跨流域、长距离的水资源调配工程。在这些大型输水工程中,渡槽是应用较广的渠系输水建筑物之一。引洮工程位于甘肃省寒冷地区,是甘肃省规划建设的大型跨越流域调水工程。但由于两条供水管线末端均不具备建设大型调蓄设施的工程条件,只能通过延长总干渠供水时间来解决调蓄不足的问题,因此需要考虑冬季输水,保证引水工程在低温环境下的安全运行。所以对北方冬季寒冷地区箱形渡槽的温度效应研究具有非常重要的意义。
　　本文以引洮工程柳林沟箱形渡槽为例,采用有限元软件ANSYS对箱形渡槽在冬季输水工况下的温度场、温度应力和表面保温进行了研究分析。首先,以冬季1月份某天夜间的气温变化为边界条件,采用有限元软件计算在无保温措施下渡槽的温度场和温度应力。通过计算结果可知:当箱形渡槽直接裸露在低温中时,槽身外表面温度比较低,而内表面温度相对较高,从而使槽身内形成内高外低的温度分布状态。靠近槽身外表面的温度梯度较大,而靠近槽身内表面的温度梯度小。温差最大时(5:00),在槽身横截面X、Y方向产生的最大拉应力均已超出了混凝土自身的抗拉强度设计值1.43MPa,容易导致槽身表面出现裂缝。其次,对比分析当槽身外铺设聚苯板和聚氨脂保温材料的厚度分别2cm、5cm和8cm时其温度场和温度应力。采用保温材料保温后,能有效的提高槽身外表面的温度,减小了槽身内外表面的温度梯度,从而有降低槽身的温度拉应力,且其与保温板的厚度成反比。随着保温板厚度的增加,槽身温度拉应力减小的幅度也越小。保温材料的保温效果与其导热系数成反比。最后,将最大温差时,箱形渡槽在稳定温度场和非稳定温度场的温度应力进行对比分析。研究表明:无保温板时渡槽在稳定温度场中的最大拉应力与非稳定温度场中的最大拉应力相差不大。采用聚苯板和聚氨酯保温板后,槽身在稳定温度场和非稳定温度场中的拉应力值变化也很小。
　　本文通过对比冬季输水工况下箱形渡槽在无保温措施和有保温措施、稳定温度场和非稳定温度场这两种情况下的温度场和温度应力,了解了表面保温对渡槽温度场和温度应力的影响效果,得出一些对箱形渡槽的设计和施工有参考价值的结论,为渡槽在冬季输水工况下应采取的保温措施提供理论依据和技术支持,为制定渠体的引水运行方案提供有力的科学依据。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 温度效应对混凝土结构产生的影响

1.3选题的背景及意义

1.4 国内外研究现状

1.5 本文研究的主要内容

2 混凝土结构温度效应的基本原理

2.1 热传递的方式

2.2 温度场的计算理论[43]

2.3 箱形渡槽的温度荷载计算

3 用有限元软件ANSYS计算箱形渡槽的温度场和温度应力

3.1 ANSYS计算模型建立

3.2 温度场和温度应力有限元分析

3.3 温度场和温度应力结果分析

4混凝土结构的表面保温

4.1 混凝土结构表面保温原理

4.2 混凝土结构表面保温的计算方法

4.3 保温材料

5 采用保温材料后箱形渡槽温度场和温度应力分析

5.1 采用聚苯板保温材料后槽身温度场和温度应力

5.2 采用聚氨酯保温板后槽身温度场和温度应力

5.3 采用保温材料后箱形渡槽温度场和温度应力结果分析

5.4采用保温材料后槽身外表面温度对比分析

6 箱形渡槽稳定温度场计算分析

6.1 无保温板时渡槽温度应力分析

6.2 采用聚苯板保温材料时渡槽温度应力分析

6.3 采用聚氨酯保温材料时渡槽温度应力分析

6.4 箱形渡槽稳定温度场和非稳定温度场对比分析

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果