混凝土桥塔温度场的时变分析及温度梯度模式研究.pdf

桥梁 混 凝 土 桥 塔 温 度 场 的 时 变 分 析 及 温 度 梯 度 模 式 研 究 任翔 (西安科技大学建筑与土木工程学院，西安710054) 摘要：测试了3个季节下某悬索桥混凝土桥塔塔壁内外环境温度厦表面温度场，分析了不同温差荷栽随时间的 变化规律。在此基础上，计算分析在不利温差下塔壁厚度方向、长宽方向的温度梯度模式。结果表明塔外环境温 度及塔壁外表面温度随时问变化呈现正弦曲线变化趋势；塔内环境温度厦表面温度随时间变化不明显；塔壁厚度 方向的正温差或负温差较大，同时箱彤截面厚度方向、长宽方向温度梯度模式宜采用折线模式。 关键词：桥梁工程；桥塔；温度场；温度梯度 中图分类号：U 44338文献标识码：A文章编号：10042954(2012) 06004005 Ti m eV aryi ngA nal ysi s on Tem per at ur e Fi el dandStudyon Tem per at ur e G radi entM odelf orConcrete B r i dge Tow er R ENX iang (C ollegeofA rehi l ect ureandCivi lEngi ne eri ng。X i a nU ni versi t yof Sci enceand Technol ogy，Xiin 7l0054，C hi na) A bst r act ：I nt hi sart icle，tem peraturefi el ds ofthr eetypi cal seasonsw er e t est edforasuspensi on br i dge t ow er ，incl uding t heint ernalandexternalenvi ronm ent t em per atur e andt he t ow erw all surf ace t em per at ur eI n them eanw hi l e，t hevari at i onregul ari t i esofdif ferent tem per aturedi fference loadsw i th ti m ew er e analyzedBased ont he t es t i ngres ult s，thet em per atur egradi ent m odel sunder disadvant ageous t em per atur edi ff erence w er ecal cul ated respecti vel yalong thet ow erwal l St hi ckness di r ect i on，thelengt h andw i dt hdir ect ionsTheres ul t sshowt hatt heenvir onm entS t em per atur e vari at i onouts idethet ow erand t heexternalwal lsurfaces t em per atur e vari at i onwithti m e present thetr endofsi ne curve：t he envir onm entS t em per atur e vari at i oninsidet het owerandthei nt ernalw al l surfaceS t em per atur e vari at i on with t im ear enot obvious；posi ti ve or negativet em perat ur e di ff erenceofthet ow erw al lt hi cknessdi rection i s l ar ge；andt em per atur egradi ent m odel si n polygonal l i neshouldbe adopt ed forthet hi ckness di rect i on， lengt h di rectionandwidthdir ecti onofboxcr oss -s ect ion K eyw ords：bri dgeengi neeri ng；bri dget ow er；tem per at uref ields；tem peraturegr adient 混凝土桥塔等薄壁箱形结构在口照作用下截面长 宽方向和厚度方向易产生较大的非线性温差，这种日 照1F线性温差荷载产生的温度应力也足导致这类结构 开裂的重要因素之一1“1。目前，国内外对混凝土桥 梁结构温度场的研究颇多，但主要集中于上部混凝土 箱梁结构。文献1对混凝土箱梁温度分布进行了一 系列的实验研究，认为日照最大温差和基准温度是桥 梁设计的必要参数，文献 2 对加拿大The M uskw a 收稿日期：201l 1012 基金项目：陕西教育厅科研计划项目资助(11JK0887)，西安科技大学培 育基金项目(2010036)。 作者简介：任翔(1979一)，男讲师，工学博士。E- m ail：renxi an9798 163cor no 40 R i ver组合箱梁桥进行了温度场现场测试，并对板梁断 面、单箱断面和双箱单室断面的温度分布的影响因素 进行了分析，文献 3 长期对韩国汉城某公路混凝土一 钢箱梁结合梁桥温度场进行连续观测，文献 4 ，5 在南京长江二桥北汉桥施工过程中，测试了箱梁温度 场，并分析了箱梁的温度场分布。文献 6在荆州长 江公路大桥500m 斜拉桥主梁上进行了温度观测，并 根据实测温度观测结果提出了一种温度场的数值计算 方法。混凝土桥墩温度场观测方面始于20世纪60年 代中期，铁道部大桥工程局、铁道部第四勘测没计院和 铁道科学研究院西南研究所对实体桥墩、薄壁空心墩 和拼装式箱形桥墩进行了温度场现场观测1。而对 铁道标准没j R A ILW A Y STA N D A R DD ESI G N2012(6) 任翔一混凝土桥塔温度场的时变分析及温度梯度模式研究 下部结构温度场及温度场分布模式的研究很少，诸如： 斜拉桥和悬索桥大体积混凝土桥塔等。因此，依托背 景桥梁，对混凝土桥塔日照温度场进行了观测，分析了 混凝土桥塔结构的温度场随时间的变化特征和规律。 进一步研究了混凝土桥塔箱形结构温度梯度模式。研 究结论可为混凝土桥塔等薄壁箱形结构的设计和编制 相关规范提供参考。 1 温度场观测肘间和测点位置 11 测试时间 分别选取了气候寒冷的1月份、天气温和的4月 份和天气炎热的8月份等3个典型的季节进行了混凝 土桥塔温度场测试，每个季节连续数天进行测试，每天 的测试频率为每问隔2h测试1次。每个季节选择2d 的测试数据作为桥塔温度场变化规律的分析值。 12测试断面布置 图l 给出了某双塔乖跨钢箱梁悬索桥混凝土空心 箱形桥塔结构的温度场测试断面和测点布置。桥塔温 度测试断面选在距桥面以上lm 处，每个塔壁内、外侧 表面分别设置5个测点。 (a) 测试断面 东 侧 塔 壁 桥粱 南侧塔壁 f _1 2 北侧塔肇 (b)温度测点布置 图1桥塔温度测试断面及测点布置(单位：m ) 西 3侧 塔 壁 图l 巾：“l 4”表示4个塔壁的外表面；“1一4” 表示4个塔壁内表面。 2 日照温度场随时间的变化规律 21 桥塔内外环境温度 桥塔内外环境温度在3个季节下的变化情况见图 2。图中水平轴为温度测试时刻，0时刻为温度场测试 日的上午6时，竖轴表示不同测试时刻对应的塔内外 环境温度值。 时间m uC Pqth “) 塔外环境温度塔内环境温度 图23个季节下塔内外环境温度随时间的变化 由图2可以看出，3个季节下，塔外环境温度随时 问近似呈正弦曲线变化，而塔内环境温度变化比较平 缓，明显没有塔外环境温度变化大。1月11El 12日 2d内，上午8时左右塔外温度达到最高，凌晨4时左 右温度到达最低点。塔外日最大环境温差为12，而 塔内日最大环境温差为2qC；3月30Et一31日2d内， 下午14时至16时期问塔外温度达到峰值，凌晨4时 左右温度达到最低，塔外日最大环境温差为135， p 趟 赠 而塔内日最大环境温差为78；8月24日一25日 2d内，塔外环境温度到下午16时达到峰值，其后温度 开始下降，最低温度约在凌晨4时左右，塔外日最大环 境温差为90，而塔内日最大环境温差为5。 22桥塔塔壁表面温度场 图3一图5示出了3个季节下，塔壁内外表面温 度随时间的变化。图中水平轴为温度测试时刻，0时 刻为温度场测试日的上午6时，竖轴表示不同测试时 p 魁 赠 时问，I时间，I (a) 塔壁外表面温度(I，)塔壁内袤面温度 图31月11日一12日塔壁内外表面温度随时问的变化 铁遵标准设计R A ILW A Y STA N D A R DD E SI G N2012(6)41 一 一L_l叩L p、燃赠 桥粱 任 翔一混凝土桥塔温度场的时变分析及温度梯度模式研究 p 型 理 p 型 疆 时日J，I I时问，h (a)塔壁外表面温度(b)塔壁内表面温度 图43月30日一31日塔壁内外表面温度随时间的变化 时M l时间，11 (a)塔擘外表面温度o) )塔壁内表面温度 图58月24日一25日塔壁内外表面温度随时间的变化 刻对应的塔壁内外表面温度值。 由图3一图5显示，3个季节下，塔外表面温度变 化比较相似，均近似呈正弦曲线变化的趋势。1月 11日一12日2d内，塔外l 号面和2号面高温时刻是 上午8时，4号面高温时刻出现在下午14时，3号面温 度变化不明显。主要是由于各个塔壁受太阳照射的时 刻不同所导致。l一4号面最大日较温差依次为96、 95、66和85oC ；3月30日一31日2d内，塔夕h1 4号面2d内表面高温时刻均出现在下午14时左右， 低温时刻出现凌晨4左右，最大日较温差依次为 129、99、94和150；8月24日一25日2d内， 8 6 4 p 2 越0 殂一2 4 6 8 塔外14号面高温时刻均出现在下午14时左右，低 温时刻出现凌晨4左右，最大日较温差依次为12、 104、9和12。由于受口照的影响，1号面和4号 面的温度明显高于2号面和3号面的温度值。3个季 节下，塔内1一47号面温度变化趋势相近，但变化不明 显，最大日较温差均未超过5O 。 23塔壁截面厚度方向的温差 图6一图8所示的足3个季节下，塔壁内外表面 壁厚方向的温差值。图中水平轴为温度测试时刻， 0时刻为测试日上午6：00，图中各个时刻对应的数值 为外表面和内表面温差值。 时问，l 图6 1月11日一12日塔壁 内外表面温差随时间的变化 时间m 图7 3月30日一31日塔壁 内外表面温差随时间的变化 由图6一图8可以看出，3个季节下，塔壁内外表 面温差在2d内随时问均近似呈正弦曲线变化。1月 11日一12口2d内，各个测试面的最大正温差发生在 上午8时左右，东、北、西和南4个塔壁内外表面最大 正温差分别为75、25、48和68；最大负温差 发生在晚上22时左右，其值分别为一62、一75、 一61和一58。3月30日一31日2d内，各个测 42 p 型 赠 10 8 6 4 2 0 2 _4 +1-l 塔疃温差 +22塔壁温差 +3-3。塔擘温差 4-4塔壁温差 0510 15 2025 3035 4045 时间，l 图88月24日一25日塔壁 内外表面温差随时间的变化 试面的最大正温差均发生在下午14时左右，东、北、西 和南4个塔壁内外表面最大正温差分别为66、20、 25和93；最大负温差分别发生在凌晨4时左 右，其值分别为一60、一68、一55和一59。8月 24日一25日2d内，各个测试面的最大正温差发生在 下午14时到16时这个时问段，东、北、西和南4个塔 壁内外表面最大正温差均为8、62、65和8；最 铁道南准没计R A I LW AYSTA N D A R DD E SI G N2012(6) 嚣芦 育 群一 。埘片 搿。妒一 瑟 茹 旷描 婚一 面面 崎嗜 _1瓤端k：户护蕊 趴一 委、剖黛仆澎* 任翔一混凝土桥塔温度场的时变分析及温度梯度模式研究 大负温差分别发生在凌晨4时到6时；其值分别为 一2、一15、一15和一15。 24塔璧截面长宽和宽度方向的温差 图9一图10分别示出了桥塔截面沿长宽方向 2个外表面和宽度方向两个外表面的温差随时间的变 化。图中水平轴为温度测试时刻，0时刻为测试13上 午6时，图中各个时刻对应的数值为桥塔截面长宽方 向2个对立外表面的温差值。 图9桥塔横桥向两外表面温差随时闻的变化 2 4 一r 1 围10桥塔顺桥向两外表面温差随时间的变化 由图9一图10可以看出，1月11 1312日2d 内，桥塔横桥向两外表面的最大温差发生在上午8时 左右，最大温差为62；桥塔顺桥向两外表面的最大 温差也发生在上午8时左右，最大温差41；3月 30133l132d内，桥塔横桥向2个塔壁外表面的最 大温差发生在下午14时左右，最大温差为54，温 差较大的时段主要集中在下午14时到晚上20时，夜 间到上午10时这一时段温差较小，变化也均衡；桥塔 截面宽度方向两个塔壁的外表面的最大温差发生在下 午4时左右，最大温差为92cc，温度差较大的时段主 要集中在下午14时到16时，其余时段温差比较小； 8月24日一25日2d内，桥塔横桥向两外表面的最大 温差发生在下午14时左右，最大温差为50，温度 差较大的时段主要集中在下午14时到16时，夜间 20时到次13上午8时这一时段温差较小，变化均衡； 桥塔顺桥方向2个外表面的最大温差发生在下午4时 左右，最大温差为59，温度差较大的时段主要集中 在下午14时到16时，其余时段温差比较小。桥塔壁 厚向有最大正向温差时，桥塔截面长宽向两对立 铁道标准设计见t儿W AYSTA N D A R DD l gSIGN2012(6) 桥梁 面外表面温差同时也分别有最大正向温差值。 3温度梯度分布模式 31 温度场分布的有限元计算法 瞬态温度场不仅是空间域上力的函数，也是时间 域t上的函数，二者并不耦合，因此可以采用部分离散 的方法。 混凝土热传导公式可由下列二维偏微分方程 表示”3 瓦a、Cka孤_ ，+南(七 霸=印 等 (1) 式中：茹，Y 为笛卡尔坐标；T为温度场分布；k为热 传导系数；c，p分别为比热容和密度。 边界条件反映物体介质表面与其周围环境之问的 热交换关系。常见边界条件可分为3类。 第一类边界条件是指已知物体边界上的温度，即 T r =Tr ( t) (2) 式中：厂表示物体的边界。 第二类边界条件是已知物体边界上的热流密 度，即 t。婴| -q(t) (3) d乃f厂 式中：k。为边界平面外法线方向的热传导系数； q( t)为由外界流人物体内部的热流密度。 第三类边界条件是已知与物体接触的流体介质的 温度和换热系数，即 。婴I：叭L(f)一r (4) dn l， 式中：h为换热系数；t(t) 为流体介质的温度。 首先将空间域以离散为有限个单元体，构造单元 内的温度函数r ，由结点温度差值得到，温度函数咖 如下 r=。(x，)t (t ) (5) 差值函数札仅为空间函数，同时也具有差值函数 的基本性质。式(5)满足边界条件，并代入式(1)得 Ra=-a(k一 以_r，l+号(t第 一 印 警 (6) 将式(6)代入边界条件式( 3)和式(4) 得 =彪 争 。+蠡 务 ， 刊t ) (7) =I豢 ；+_j争 ， 一h er(旷r(8) 令余量的加权积分为零，即 L即-dO+L训n，fnr3Rr nJ 3d，=0(9) 式中，l ，2，3为权函，I=以，2=3=以。，= 7 6 5 4 3 2 0一 之 p、憋赙 帅 协 列m ”町 k 闻口 L可时 J I 6 桥梁 J，2，K，乃。 任翔一混凝土桥塔温度场的时变分析及温度梯度模式研究 将t O，：，代入式(9)中，积分得到矩阵方程 c垂+脚=P (10) 式中：C 是热容矩阵，茹是结点温度对时间的导数 列阵，K是热传导矩阵，妒是结点温度列阵，C 和K都 是正定矩阵，P是温度荷载列阵。矩阵C、K和P的元 素由下列矩阵元素组成： C。=C ； K 。=K ；+H ； P。=P；。+P； 式中：C；=IcpN ；N, da，是单元对热容矩阵的贡 献 蚂=L卜 尝 警+6百ONi百ONj)dD， 是 单 元 对 热 传 导矩阵的贡献；或=IhN 。，dF，单元热交换边界对热 o，i 传导矩阵的修正；P量=I g。d，是单元给定热流边界 oJ 的温度荷载；巧。=I hTN ；d厂，是单元对流换热边界的 o 5 温度荷载。 32有限元计算模型 采用A NSY Sl00的热分析功能，来计算桥塔的温 度场分布及其变化情况。选取距桥面以上1m 处桥塔 截面的几何尺寸，建立有限元计算模型。模型选用具 有三角形退化功能的PLA NE55，采用自由网格划分， 单元长度为01m 。温度荷载以约束的形式施加在桥 塔塔壁内外表面。有限元模型见图11。此外，导热系 数取24J( m 8K ) ，比热容取值为950J(kg K ) 。 图11混凝土桥塔温度场分析模型 33桥塔横断面温度分布 以塔壁厚度方向、塔壁长度和宽度方向实测最不 利的正温差、负温差值见表l。并计算了沿塔壁厚度 向、塔壁长度和宽度向的温差梯度分布。 表1各塔蹙最不利温差值 测试时间 东侧北侧西侧南侧 1月11日上午8时 7515 23 68 1月11日晚上22时 一6 27 7615 8 8月24日下午14时 80 573566 8月24日午夜6时 - 20一1 5 - 202 0 331 壁厚方向温差梯度曲线 以桥塔截面厚度方向的最大正向温差和最大反向 温差计算得截面厚度方向的温度分布，建议厚度方向 的温度分布采用线性分布，如图12所示。 围12塔壁厚度方向的温度分布 根据混凝土桥塔温度场的测试值，参考我国铁 路桥涵设计规范( TB l000232005)给出的板厚 方向的温差基数，建议桥塔厚度方向正温差基数取为 10，负温差基数为-10oC。 332长宽方向温度梯度曲线 建议长宽方向分别出现最大温差时的正温差梯度 和负温差梯度曲线见图13，图14。 (a)正温差负温差 圈13长度方向温度梯度曲线 f 通_T 曼I 暄l 糍l 丑 (a)正温差负温差 圈14宽度方向温度梯度曲线 从3个季节桥塔温度场的测试资料来看，桥塔长 度和宽度方向的正温差均未超过lO，负温差均未超 过一6cC。偏于保守考虑，建议正温差梯度基数参考我 国公桥桥涵设计规范(JTGD60-2004)12、铁路 桥涵设计规范( TBl000232005) 111和英国规范 (BS5400)列进行取值，但应参照不考虑桥面铺装或 是无砟桥面下混凝土箱梁的温度梯度基。负温差梯 44 铁道标准设计RA I LW A YSTA N D A R DD ESIG N2012(6) 一少 盯扩k 一 屯越憾 瞎耀 一 r _ l 蚓I -1 r_I吲l1J叫I + l 蚓l 旦 兰 新 铁 路 第 二 双 线 风 区 段 落 简 支 箱 梁 设 计 陈海涛 (中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院，北京100055) 桥梁 摘 要：兰新铁路第二双线沿线风区段落风速高、风期长且严重干旱缺水，为了保证列车的安全扣正常运营，在风 区段落简支箱粱迎风侧设置挡风结构。从桥面布置方式、挡风结构、接触网支柱基础、桥梁支座以及梁体结构耐久 性的保证等方面对风区葙梁进行分析，对梁体的抗倾覆性能进行检算。针对风区环境具体特点对风区葙粱制造 过程中的施工T - 艺要求以及注意事项等方面进行较为详细的介招。 关键词：兰新铁路第二双线；风区；简支箱梁；设计 中图分类号：U 44821+3 文献标识码：A 文章编号t 10042954( 2012) 06004504 D esi gn f or Si m pl ySuppor t ed B oxG i rder si nW i ndyA reas al ong t he Second D oubleLi neof Lanzhou-X i nj i angRai l w ay C H ENHai t ao (Bri dgeEngi neeri ngD es i gnandR esearchInst i t ut e，Chi naR ail w ayEngi neeri ng Consuhi ngGroupCo，Lt d，Bei j i ng100055，Chi na) A bst ract ：Theenvi r onm entsofw i ndyareasalongthesecond doubl el i ne of Lanzhou-X i nj i angRail w ay 收稿日期：20111013 作者简介：陈海涛(1980一)，男，1=程师，2002年毕业于西南交通大学， 工学学士。 度基数参考我国公路桥涵设计规范( JTGD60 2004)1，取正温差的一06一07倍。 4结语 (1)3个季节下，塔外环境温度及塔壁外表面温度 随时问变化近似均呈正弦曲线变化趋势，日较温差较 大；塔内环境温度及塔壁内表面的温度随时问变化不 明显，日较温差较小。 (2)3个季节下，塔壁厚度方向的最大正温差相差 不大，都在8左右；最大负温差有所不同，冬季和春 季的最大负温差均比夏季的负温差大，冬季和春季的 最大负温差在一6- 7，而夏季的最大负温差未 超过一2。 (3)3个季节下，塔壁长度和宽度方向的温差也不 容忽视，在春季桥塔温度场测试结果显示，最大温差可 达到9以上，其余两个季节的温差也在6左右。 (4)计算分析表明，塔壁厚度方向、长度和宽度方 向温度梯度模式宜采用折线分布。 参考文献： 1Churchw aMA ，Sokal YJPr edi cti onof Tem perat ur e i nConcr et e Bri dgesJJournal ofSt ructuralD i vi si on，A SCE1981，107( 11)： 21632176 铁道标准没；P R A I L W A YSTA N D A RDD E SI G N2012(6) 2】 FuH c，NgsF，C heungM sTherm albehavi orof com posit e bri dgesJJournal ofSt r uct ural Engi neeri ngASC E1990IJ6 ( 12) ：33023323 【3】C ha nggP，I mcK Therm al behavi orof com posit ebox-gi rder bri dgesJ】procof theI nsm Ci vEngr sSt rt l eU I Bi ds，2000， 140：117126 4】 叶见曙，贾琳，钱培舒混凝土箱粱温度分布观测与研究J东南 大学学报，2002，32(5)：788793 5贾琳阳辐射作片下混凝土箱粱的温度分布及温度应力研究 fD南京：东南大学，2001 6颜东煌，涂光哑，陈常松，等肋板式主粱温度场的数值计箅方法 J中外公路，2002。22(2)：4548 7】彭友橙混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究 D 成 都：西南交通大学。2007：I16 8】王勇军时建200km客货共线铁路空心桥墩温度应力分析：J】 铁道标准没计，2010(6)：5962 9】葛耀君，翟东，张国泉混凝土斜托桥温度场的试验研究J】中国 公路学报，1996，9( 2) ：7682 10王勖成有限单元法基本原理和数值方法M 北京：清华大学出 版社，2002：42l 一438 I l】TB l 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