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大温差作用下矩形渡槽横截面温度梯度分析

尚洪彬 李宗利 李泽前 杨霖 张宁

尚洪彬,李宗利,李泽前,等. 大温差作用下矩形渡槽横截面温度梯度分析[J]. 水利水运工程学报,2023. doi:  10.12170/20220103003
引用本文: 尚洪彬,李宗利,李泽前,等. 大温差作用下矩形渡槽横截面温度梯度分析[J]. 水利水运工程学报,2023. doi:  10.12170/20220103003
(SHANG Hongbin, LI Zongli, LI Zeqian, et al. Temperature gradient analysis of rectangular aqueduct transverse section under the effect of large temperature difference[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(in Chinese)) doi:  10.12170/20220103003
Citation: (SHANG Hongbin, LI Zongli, LI Zeqian, et al. Temperature gradient analysis of rectangular aqueduct transverse section under the effect of large temperature difference[J]. Hydro-Science and Engineering, 2023(in Chinese)) doi:  10.12170/20220103003

大温差作用下矩形渡槽横截面温度梯度分析

doi: 10.12170/20220103003
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2017YFC0405101)
详细信息
    作者简介:

    尚洪彬(1998—),男,河北邢台人,硕士研究生,主要从事水工结构设计理论相关研究。E-mail:shanghongbin@nwafu.edu.cn

    通讯作者:

    李宗利(E-mail:bene@nwsuaf.edu.cn

  • 中图分类号: TV672

Temperature gradient analysis of rectangular aqueduct transverse section under the effect of large temperature difference

  • 摘要: 渡槽在服役期间经历长期变温差循环作用,势必引起渡槽混凝土产生微裂纹等劣化,降低渡槽安全性。渡槽设计无专门规范,相关规范对渡槽是否考虑温度荷载也无明确指导意见。以新疆某矩形渡槽为例,通过有限元软件计算渡槽横截面温度场,分析其分布规律,探讨渡槽温度梯度及不同桥梁设计规范在渡槽设计中的适用性。研究表明:该渡槽通水时夏季横截面最大竖向正温差为35.8 ℃,不通水时为24.5 ℃;冬季通水时最大竖向负温差为−11.5 ℃,不通水时为−7.8 ℃。渡槽横向最大正温差为18.5 ℃,最大负温差为−8.4 ℃;较大的竖向与横向温度梯度会产生较大的温度应力,在设计中应给予考虑。实例竖向温度梯度与各种规范推荐的竖向温度梯度模式形式相似,但特征值存在较大差异,说明桥梁规范推荐值不宜直接应用于渡槽的温度应力分析,渡槽温度场宜根据槽身结构形式和运行工况计算确定。
  • 图  1  渡槽断面(单位:cm)

    Figure  1.  Cross section of aqueduct (unit: cm)

    图  2  有顶板渡槽夏季竖向温度分布

    Figure  2.  Vertical temperature distribution of aqueduct with roof in summer

    图  3  有顶板渡槽冬季竖向温度分布

    Figure  3.  Vertical temperature distribution of aqueduct with roof in winter

    图  4  有顶板渡槽顶板横向温度分布

    Figure  4.  Transverse temperature distribution of top slab (aqueduct with roof)

    图  5  有顶板渡槽底板横向温度分布

    Figure  5.  Transverse temperature distribution of bottom slab (aqueduct with roof)

    图  6  无顶板渡槽底板横向温度分布

    Figure  6.  Transverse temperature distribution of bottom slab (aqueduct without roof)

    图  7  渡槽竖向正、负温度梯度对比

    Figure  7.  Vertical positive and negative temperature gradient of aqueduct gradient mode

    图  8  竖向温差梯度模式相关参数含义

    Figure  8.  Parameter meaning of vertical temperature gradient mode

    表  1  渡槽最大竖向正(负)温差

    Table  1.   Maximum vertical positive (negative) temperature difference of aqueduct (单位:℃)

    运行工况渡槽形式腹板位置顶板底板
    夏季通水 有顶板渡槽 南侧腹板 30.5 15.2
    北侧腹板 33.8 16.5
    无顶板渡槽 南侧腹板 31.0 18.8
    北侧腹板 35.8 18.7
    夏季不通水 有顶板渡槽 南侧腹板 20.7 4.6
    北侧腹板 24.5 5.5
    无顶板渡槽 南侧腹板 16.1 4.9
    北侧腹板 20.7 4.6
    冬季通水 有顶板渡槽 南侧腹板 −9.0 −10.9
    北侧腹板 −9.6 −11.5
    无顶板渡槽 南侧腹板 −8.5 −7.7
    北侧腹板 −8.6 −8.3
    冬季不通水 有顶板渡槽 南侧腹板 −3.4 −5.7
    北侧腹板 −4.9 −7.8
    无顶板渡槽 南侧腹板 −3.8 −5.0
    北侧腹板 −2.2 −7.6
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    表  2  渡槽横向最大正(负)温差

    Table  2.   Maximum transverse positive (negative) temperature difference of aqueduct (单位:℃)

    渡槽形式与位置运行工况顶板/底板位置夏季最大正温差冬季最大负温差冬季最大正温差
    有顶板渡槽顶板 通水 南侧端 12.6 −6.5 13.6
    北侧端 7.9 −7.2
    不通水 南侧端 4.7 −5.0 14.0
    北侧端 1.0 −5.6
    有顶板渡槽底板 通水 南侧端 18.5 −7.6 12.1
    北侧端 11.7 −8.4
    不通水 南侧端 9.7 −2.2 15.4
    北侧端 3.4 −4.0 0.7
    无顶板渡槽底板 通水 南侧端 17.7 −4.5 11.6
    北侧端 12.0 −5.2
    不通水 南侧端 1.6 15.2
    北侧端 3.2 −2.1 4.4
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    表  3  温度梯度特征值与各规范推荐值比较

    Table  3.   Comparison of the characteristic values at the temperature gradient and the recommended values of each code

    温度梯度类型 通水与否规范温度梯度模式T1/℃T2/℃ΔH1/mΔH3/m
    规范推荐正温度梯度 中国公路[12] 双折线 25 不考虑 0.4 不考虑
    中国铁路[21] 幂函数 20 不考虑 1.1 不考虑
    AASHTO[22] 双折线 30 3 0.4 0.2
    新西兰[23] 抛物线 32 1.5 0.8 0.2
    渡槽正温度梯度 通水 有顶板 33.9 16.3 0.80 1.05
    无顶板 35.8 18.4 0.95 1.10
    不通水 有顶板 24.5 5.5 1.00 0.50
    无顶板 16.1 1.6 0.30 0.05
    规范推荐负温度梯度 中国公路[12] 双折线 −12.5 不考虑 0.4 不考虑
    中国铁路[21] 幂函数 −10 不考虑 0.35 不考虑
    AASHTO[22] 双折线 −15 −3 0.4 0.2
    新西兰[23] 抛物线 不考虑 不考虑 不考虑 不考虑
    渡槽负温度梯度 通水 有顶板 −9.6 −11.5 0.75 1.10
    无顶板 −8.2 −8.5 0.85 1.05
    不通水 有顶板 −5.0 −7.8 0.20 1.25
    无顶板 −3.4 −5.7 0.15 0.65
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-03
  • 网络出版日期:  2023-03-23

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