預應力渡槽邊界條件計算分析

□王 磊(黃河勘測規劃設計有限公司)

□佟 帥(南水北調河南直管建管局)

文中選用的算例是南水北調中線工程黃河北段上的一座預應力排水渡槽，走向為東西方向。渡槽所處地域風壓為0.4 kN/m2，空氣溫度每月最高約33.6℃，空氣溫度每月最低約-3.8℃，空氣溫度年平均為16.8℃。此處排水渡槽為單幅跨度約20.89m，為6.0m×5.15m矩形斷面結構，受力邊梁和受力中梁均為1.0m×1.2m，渡槽底板厚度0.6m，受力邊墻厚度為0.7m，受力中墻厚度為0.8m。

1.太陽輻射強度考慮

1.1 太陽赤緯角

渡槽所受太陽輻射強度變化與其所在地區、時間、方位等都有十分重要的聯系。

其計算公式為：

注：N取1（一月一日），按次序增加。

1.2 地方太陽時

在渡槽所受太陽輻射的計算中，地方太陽時是十分重要的參數；另外，在計算分析中一般采用地方氣象站提供的太陽輻射資料基本使用地方太陽時。文中計算對象的地理位置為東經115°，北緯 39°。 計算公式如下：

Sd=S+[F-(120°-JD)×4]/60

注：S為小時數（北京時間）；F為分鐘數（北京時間）；Sd為太陽時（計算對象所在區域）；JD為經度（計算對象所在區域）。

1.3 太陽時角

根據相關規范規定，地球自轉速度為15°/h，零度為每天正午12時。

1.4 邊界上太陽輻射強度的處理

由于自然條件的原因，對于太陽輻射渡槽存在向光和背光情況存在，渡槽的頂部、邊墻、底板等均有不同的影響，渡槽的頂部、南邊墻基本處于陽光的直射和散射的范圍影響、散射影響，陽光的散射影響范圍只有渡槽北邊墻、中墻和南邊墻，而渡槽的北邊墻、中墻和底板上所受的太陽輻射應該針對太陽高度以及與渡槽的照射角度來計算。

1.5 輻射強度的計算

一般情況下，在針對預應力渡槽邊界條件的計算過程中需要對太陽的對渡槽的輻射量進一步的精確計算，但是由于一方面，從地方氣象部門得到的資料過于籠統；另一方面因為季節的不同、天氣狀況的變化、地理位置的更換、氣候的差異等多方面的原因，渡槽所受的輻射量變化較大；所以，只有通過對計算對象的具體情況加以分析，并結合用太陽直射通量、強度；太陽散射通量、強度曲線的分析計算。

從圖1～圖4可知，利用地方氣象部門的資料通過計算可知太陽的直射強度和散射強度分別為太陽光線射入和其在水平方向上的強度，另外利用公式：

圖1 太陽累計直射通量曲線圖

圖2 太陽直射強度圖

圖3 太陽累計散射通量曲線圖

圖4 太陽散射強度圖

計算出該渡槽從6:00-18:00時間段中每小時各邊界所受的太陽輻射強度，其中 （單位：W/m2)：頂面所受輻射強度為20、130、309、530、747、909、976、933、792、588、371、187、63； 南邊墻外 表面所受輻射 強 度 為 29、68、56、88、86、269、308、293、231、147、71、69、34；北邊墻外表面所受輻射強度為 3、17、31、43、54、63、69、73、73、70、61、48、28；拐角面所受輻射強度為 27、80、82、137、328、595、860、750、457、244、117、105、53。

2.大氣溫度的考慮

對于渡槽來說，其本身溫度變化除了要受到太陽熱輻射的原因之外，另外一個重要的影響條件是渡槽所處環境的溫度變化；由于多方面的原因，渡槽本身溫度會與環境溫度產生差異，甚至渡槽本身也由于不偉大不同造成一定的溫度差異，所以渡槽結構周圍環境溫度場的考慮對渡槽邊界條件的計算式是至關重要的，如圖5所示。

圖5 箱梁外界氣溫變化圖

通過分析可知，與其他結構相比，在針對渡槽的環境溫度變化的計算過程中一般可以認為：

2.1 空槽工況：由于渡槽頂面和南邊墻外表面在陽光直接照射情況下，所以計算過程中的溫度采用的是橋梁箱梁結構的頂面溫度；而由于，處于一直處于背光狀態下，渡槽北邊墻外表面、中墻和南邊墻背陽面、底板下表面等溫度采用橋梁箱梁結構的大氣溫度；另外，針對處于陽光照射變化范圍內的北邊墻和中墻向陽面、底板上表面，則分別認為直接照射情況下，計算過程中的溫度采用的是橋梁箱梁結構的頂面溫度；背光狀態下，渡槽北邊墻外表面、中墻和南邊墻背陽面、底板下表面等溫度采用橋梁箱梁結構的大氣溫度。

2.2 滿槽和設計工況：渡槽過水表面不考慮氣溫影響，其余表面參照空槽工況情況。

3.熱交換系數

3.1 對流換熱系數

當風速ν≤5.0m/s時，對流熱交換系數按照下式進行計算：

3.2 輻射換熱系數

其關系如圖6：

圖 6 hr與 Ts、Ta關系圖

3.3 冬季熱交換系數

由于冬季風速＞5m/s。所以，根據風速的不同采用不同數值，如：風速(m/s)在 0～5 范圍內，分別為 0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0 時，hr(W/m2·℃)相應為 9.4、13.2、16.8、20.6、24.3、28；風速(m/s)在 6～10 范圍內，分別為 6.0、7.0、8.0、9.0、10.0 時，hr(W/m2·℃)相應為31.7、35.4、39.1、42.8、46.5；

4.結論

分析計算預應力排水渡槽在太陽輻射和大氣溫度場變化對預應力渡槽的影響，針對渡槽在不同時間和陽光輻射狀況下單位時間段內輻射量的變化進行了計算，從而對在陽光直射、散射以及環境溫度交換等條件因素預應力渡槽邊界條件計算分析進行了一定的研究與探討。

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