冰层渡槽模型计算研究
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【摘 要】 本章以南水北调中线工程某渡槽为例，采用平面有限元建模方法对冰温度膨胀力进行研究，并得出相关的结论。
【关键词】冰；膨胀；模型；应力计算
1 工程概况
本文选取南水北调中线工程某渡槽初涉阶段方案进行分析。
某渡槽，全长270m，共分为9跨，单跨长30m。渡槽为三槽一联带拉杆式预应力钢筋混凝土矩形槽，混凝土强度等级为C50，槽身断面尺寸为宽7.0m×高6.7m×3槽，槽身纵墙尺寸中墙厚0.7m，边墙厚0.6m，底板为肋板结构，板厚0.4m，肋间距2.5m，断面尺寸为0.4m×0.6m。纵墙顶设间距为2.5m的拉杆，断面尺寸为0.3m×0.5m。纵墙顶部设翼缘板，边墙翼缘板宽2.7m，中墙翼缘板宽3.0m。槽身纵墙底板以下增设宽1.3m（边墙）和1.5m（中墙），高均为1.5m的纵向大梁。
2 冰层建于结构中分析方法
冰层建于结构中分析，考虑了冰层与结构间的相互作用，同时考虑了外界温度的变化对渡槽槽身引起的温度应力。对冰层而言，在实际槽身中加入冰层进行建模计算，是对带冰盖运行的渡槽结构计算的更为真实的模拟。
冰层与结构间的相互作用可以认为是平面应变问题，本节对此进行了平面有限元建模分析。
2.1 建立平面有限元模型
现有水工建筑物设计规范主要对作用于坝面或其它宽长建筑物的静冰压力列表给出了不同冰层厚度（0.4m、0.6m、0.8m、1.0m及1.2m）的静冰压力标准值（表中未出现的冰层厚度可以内插求得），而结构计算中往往用现有的规范或工程经验给出的冰压力标准值代替实际静冰压力值进行计算，这样得出的结果往往不能真实模拟冰层热应力对结构的影响，只能作为一种辅助的设计手段。为了更好的研究冰层热应力在不同冰层厚度（考虑到南水北调渡槽所处的地理位置，分别选取0.3m、0.4m、0.5m和0.6m的冰层厚度进行建模分析）和不同温升速率情况下对结构的作用，将冰层真实的模拟在结构中，本次计算进行了平面有限元建模分析。
坐标原点定为单跨渡槽跨端底板上表面中槽中心点处。三轴的方向确定为①X轴：垂直于水流方向，符合右手螺旋定则；②Y轴：铅直方向，由下至上为正；③Z轴：顺水流方向，下游为正。
模型范围：由于渡槽槽身的纵向支撑形式为简支粱式，且具有结构与荷载的对称性，故可取沿槽身断面的对称中心线截取1/2部分进行建模计算。
预应力钢筋采用等效荷载法进行模拟，化，同时在底板和拉杆端部与边墙连接部位附近另选取了两个典型断面，考虑它们在不同温升时间xy向剪应力沿截面高度分布变化。
对于典型截面1，通过不同温升时间x向正应力沿截面高度分布图可知，温升时间为2小时、6小时及24小时的分布情况基本没有什么变化，从底板上侧到下侧x向正应力值先是减小，但到了距底板下侧约0.05m位置附近又开始增大，而温升时间为72小时和稳态温升的计算工况，x向正应力从底板上侧到下侧都呈现减少的趋势。出现这种情形的原因在于温升时间为2小时、6小时及24小时时，由于混凝土较差的导热性，外界温度的变化还没有来得及渗透到内部，故出现了应力值先减小后增大的趋势。对于典型截面2，不同温升时间x向正应力沿截面高度分布基本趋于一致，温升时间为2小时、6小时及24小时的计算情形，正应力值在截面相同高度处也基本没有变化，而温升时间为72小时和稳态温升的计算情形,x向正应力值在截面各部位的值都有所减少。
3 冰温度膨胀力对渡槽结构影响的结论
（1）施加温度荷载前后，整体结构的应力场有较大的变化。施加温度荷载之后第一主应力和第三主应力的极值与分布范围都有所增大，且第一主应力的极值达到了C50混凝土的抗拉强度标准值2.75MPa，对结构的安全构成严重威胁。
（2）以冰层厚度为0.4m的结构为例进行分析，得知随着温升时间的增加，结构的第一主应力值增大，而第三主应力值则有所降低，x向正应力的变化趋势与第三主应力的变化趋势相一致。
（3）当温升时间相同时，冰温度膨胀力随着冰层厚度的增加而增大。
（4）对于同一冰层厚度，当温升时间小于72小时时，计算所得的冰层膨胀力随着温升时间的增加而增大，但增幅不大。对于冰层厚度为0.3m和0.4m的结构，稳态温升10℃和72小时温升10℃计算所得的冰层膨胀力基本相同，但是对于冰层厚度为0.5m和0.6m的结构，稳态温升10℃和72小时温升10℃计算所得的冰层膨胀力都有所降低。另外，不管冰层厚度多少，冰层膨胀力的最大值都出现在温升时间为72小时的计算情形。
（5）温度荷载主要引起结构正应力的变化，对于剪应力分布影响不大。
（6）混凝土材料是一种升温膨胀的材料，冰层与结构整体考虑时计算所得的冰温度膨胀力要小于冰层独立建模计算的结果，而冰层四周约束的情形可以认为是一种极限工况。通过真实的有限元模拟可知，冰温度膨胀力不及混凝土自身因温升而引起的膨胀力对槽身结构的影响大，所以混凝土的温度应力在工程设计时应引起注意。