大跨混凝土箱梁温度场分析.pdf

第 3 3卷 第 1期 2 0 1 1年 2月 土 木 建 筑 与 一 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V 0 1 3 3 N o 1 Feb 2 O1 1 大跨混凝土箱梁温度场分析 张亮亮 ， 杨 磊 ， 杨转运 ， 赵艳青h m， 刘 会。 ( 1 重庆大学 a 土木 X - 程学院； b 山地城镇建设与新技术教育部 重点 实验室，重庆 4 0 0 0 4 5 ； 2 四川 建 筑职 业 技 术 学 院 ， 四 川 德 阳 6 1 8 0 0 0 ) 摘 要 ： 针 对 困扰 工程设 计 的混凝 土箱 梁温度 分 布及 温度应 力 问题 ， 以某 双线特 大桥 为 背景 ， 基 于 箱梁表 面热交换平衡理 论 的预 应力 箱 梁温度 场数 值仿 真 和现 场 实测 的对 比分 析 ， 以此 来得到 较 为 准确的混凝 土箱梁壁厚 温差 的梯 度 模 式。通 过对 比分 析 结果表 明 ， 基 于箱 梁表 面热 交换 平衡 理 论 的 温度 场数值仿 真能客观模 拟 实际边界条件 ， 具有较 高的计 算精度 ， 可以很好 的 满足 实际 Y - 程 的设 计 分析要 求， 进 而 以温度 场数值仿 真为基 础 ， 利 用 ANS YS二 次开发技 术 ， 开发 出了与 ANS YS风格 一 致的针 对预 应 力混凝土 温度 场 的可视 化汉化模 块 ， 实例 计算表 明 ， 该可视 化 汉化模 块 能很 好 的应 用 于实际 ， 能够提 高 7 - 作效 率。 关键 词 ： 混凝 土箱 梁； 温度场 ； 温度荷载 ； 二次 开发 中图分 类号 ： U4 4 1 ， 5 文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 3 6 0 7 Te mp e r a t u r e Fi e l d An a l y s i s o f Lo n g - s p a n Co n c r e t e BO X Gi r d e r s ZHANG L i a n g - l i a n g 。 。， Y ANG L e i 。 ， 。， Y ANG Zh u a n y u n 。 ， Z HAO Ya n q i n g 。 。 LI U Hu i 。 ( 1 a Fa c ul t y of Ci v i l Eng i n e e r i n g； 1 b Ke y La bo r a t o r y of Ne w Te c h n ol og y f or Co ns t r u c t i on o f Ci t i e s i n M o un t a i n Ar e a， M i r n i s t r y o f Edu c a t i o n， Ch on gq i ng Uni v e r s i t y， Cho n gqi n g 40 00 45， PR Chi n a： 2 Si c h ua n Co l l e g e of Ar c hi t e c t u r a l Te c h no l og y， De y a ng 6l 8 00 0， Si c h ua n P RCh i na ) Ab s t r a c t ：Ta ki n g a t wo l a ne e xt r a l a r g e b r i d g e a s s a mp l e， i t i s t o a n a l y z e t he r e a l t i me t he r m a l f i e l d a n d t he r m a l e f f e c t on a l on g s pa n p r e s t r e s s e d c o nc r e t e b ox g i r d e r The o bt a i ne d d a t a i s c o mp a r e d wi t h t he s i mu l a t i on whi c h i s b a s e d on a ba l a nc i n g t he o r y of t e mpe r a t u r e d i s t r i bu t i on s a nd e x c ha ng e i n b o x gi r de r e x t e r i o r s ur f a c e s The r e s u l t s s ho w t ha t t h e p r o po s e d me t h o d c a n e m u l a t e t h e a c t u a l b o un d a r y c o n d i t i o n s p r e c i s e l y，i t c a n s at i s f y t he de s i g n a n a l y s i s r e q u i r e m e nt o f t he pr a c t i c e e ng i ne e r i n g Ba s e d o n t he e m u l a t i o n o f t h e t e mpe r a t u r e f i e l d，wi t h t h e ANSYS s e c on d a r y de ve l o pme nt t e c hn ol o g y，FEM mod u l e s a r e d e v e l o pe d t o a n a l y z e t he t he r m a l f i e l d of t he pr e s t r e s s e d c o nc r e t e b ox gi r de r b r i d ge s The pr e s e nt e xa mpl e s s ho w -t ha t t he d e v e l o pe d mod u l e s a r e e f f e c t i ve a nd u s e f u 1 Ke y wo r d s ：c o n c r e t e b ox g i r d e r s ；t e mpe r a t u r e f i e l d；t e mpe r a t u r e l oa d；s e c on da r y d e v e l op me n t 混凝 土桥梁 在现代桥 梁工程 的建设 中 占有 重 要 地位 。而统计表 明 ， 由于箱 形 梁具 有 抗 弯抗 扭 刚 度 大 、 截 面效 率系数 高 、 承载力 大等优 点 ， 在 近 2 o年修 建 的混凝 土桥梁 结 构 中 ， 混 凝 土箱 形 梁是 大 跨径 预 应 力混凝 土连续梁 桥和连续 刚构桥 主要 的梁截 面形 式 。工 程界基 于 工 程 热 传 导 理 论 和 现 场 观 测 数 收 稿 日期 ： 2 0 1 O 0 5 1 8 基 金 项 目 ： 重 庆 大学 “ 2 1 1工 程 ” 三期 创 新人 才 培 养 计划 建 设 项 目( 5 0 9 1 0 5 ) 作 者 简 介 ： 张 亮亮 ( 1 9 5 6 一 ) ， 男 ， 教 授 ， 博 士 生 导师 ， 主要 从 事 桥 梁 结 构研 究 ， ( E ma i l ) 2 1 1 2 0 0 5 1 0 1 2 6 c0m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张亮 亮 ， 等 ： 大跨 混凝 土箱 梁温度 场分析 3 7 据 ， 对 混 凝 土箱 梁 作 了 许 多研 究 工 作l 2 。 ， 对 于 这类 桥梁来说 ， 长期 经受 自然界 气 温的变 化 和 日辐 射 、 寒 流降温 等激烈 作 用 ， 其 表 面 与 内部 各 点 的 温 度 随 时 随刻都在 发生 变化 。但 由于混凝 土 材料 的热 传 导性 能差 ， 混 凝土箱 梁 在 太 阳辐 射 或 骤 然 降 温 引起 的温 度变 化作用 下 ， 箱 梁结 构表 面温度 迅 速上 升 或下 降 ， 但结 构 内部大部 分 区域 仍处 于原 来 的温 度 状 态 ， 在 外界 连续 的热 流作 用 和 混 凝 土 对 温 度 的 滞 后 反 应 下 ， 混凝 土 结 构 内 的温 度 呈 非线 性 分 布 ， 从 而 在 箱梁 中形成 较 大 的温度 梯 度 。 由于未 充分 考虑 温度 对混凝土箱梁 的影响 ， 设计上认 为无拉 应力 的全 预应 力混凝 土箱梁桥经 常出现一些 严重 的裂缝 ， 有 的桥梁 甚至被迫停运修复 ， 造成 了重大 的经 济损失口 。 为 了能较 严 密考 虑 影 响 温 度 分 布 的 因 素 ， 首 先 根据箱 梁表 面温 度 分 布 的分 析 理 论 ， 全 面 考 虑 箱 梁 表面温 度 与 太 阳 辐 射 、 结 构 几 何 尺 寸 、 所 处 地 理 位 置 、 桥梁 方位 、 所用 材料物 理特 性和 当地 气 候条 件 等 参 数之 问 的关 系 ， 模 拟 计算 箱 梁在 不 同温 度 荷 载 作 用 下 的温度场 ， 并 将 计算 结 果 与 实 测 数 据 进行 对 比 分 析 。然 后 ， 对 ANS YS进 行二 次 开 发 ， 将 复 杂 的操 作分 析 步骤封 装 称 为用 户 自己 的 程序 ， 得 到 基 于计 算混 凝 土箱梁 温 度 场 的 图形 用 户 界 面 程 序 。最 后 ， 利用 AN S YS中编制 的模块 对箱 梁 壁 厚方 向 的温度 梯度 模式 进行 了 研究 ， 得 到不 同板 厚 下 的 温差 指数 函数 ， 为今 后规 范 的修 订提 供参考 。 1 混凝土箱梁温度场 的数值模拟 混 凝 土箱梁 内部 的热传 导可 忽 略纵 向 的温度 梯 度 ， 主要在箱 梁横 截面 内进行 ， 可 按平 面 问题 计算 混 凝土箱 梁 温 度 场 。对 混凝 土箱 梁进 行 温 度 场 数 值分析 ， 首先 需确定 考虑 环境 条件 、 几 何材 料 和地 理 位置与 走 向等 因素 的箱梁 热 交 换 边 界 条 件 ， 然 后 将 其施加 在热力 学有 限元 模型 上进行 温度 场 的计 算 。 1 1箱梁外 表面 边界分 析 对 于任 意无 内热 源 物 体 不 稳 定 温 度 场 ， 其 有 限 元 计算 的基本 微分 方程 _ 】 为 a Ta T 、 aT 【 十Ia v z ，f f ： o= = ：T( a c ， ， z ， ) ( 2 ) A l 一 q ( ) ( 3 a ) d l ，一 ( ) 一 T ( 3 b ) 其 中 ： 式 ( 1 ) 为 Fo u r i e r导 热 微分 方 程 ； 式 ( 2 ) 为 初始 条件 ； 式 ( 3 a ) 为第 2类 边 界 条 件 ；式 ( 3 b ) 为第 3类 边界 条件 ； I 1 表 示 物 体边 界 ； q ( )为 已知 的边 界 上 的热 流密 度 函数 ； h为综合 热 交换 系数 ； T o ( )为 外 界空 气温 度 ； 其 它参数 意义 详见文 献 1 1 。 混凝 土桥梁 结 构 与 外界 的热 交 换 ， 不 仅 有 来 自 太 阳辐射 的热 流 ， 还有 与周 围 环境 之 间 的对 流 和 辐 射热 交换 ， 因此 处 于 自然 界 的 混凝 土箱 梁 其 边 界 条 件 为上 述第 2类 和 第 3类 边 界 条 件 的组 合 ， 可 以表 示 为 _ a T I r h e r ( f ) 一 T 十 q ( ) c ， 为 了计算 的方 便 ， 通 常将式 ( 4 ) 的组 合边 界 条件 转 换成 同一类 边 界 条件 ， 可 以将 其 转 换成 第 3类 边 界条 件 ， 令 T ( )一 ( ) + ， 公 式表示 为 ： ， l 一 T ( ) 一 T ( 5 ) T1 从式 ( 5 ) 可 以看 出 ， 要 准确合 理 地模 拟混 凝 土箱 梁 复杂 的热交 换 边 界条 件 ， 必 须 根 据 桥址 所 处 的地 理位 置 以及气 象条件 等 因素通过 适 当 的数学 模 型较 为准 确 的描述式 ( 5 ) 中的综 合 热 交换 系数 h和 当量 空气 温度 T ( f )。 1 1 1 综合 热 交换 系数 的 计 算 箱 梁外 表 面 的综 合热交换 系数 实际上 是 由对 流换 热系数 h 和辐 射换 热系数 h 组成 ， 两者均与外界气 象条件( 风速 、 箱梁周 围环境温度 、 空气 温度等) 以及外表 面的温度有关 。 混 凝 土表 面与外界 大气 的对 流换 热遵 循 牛顿 冷 却 定律 ， 在 土木工 程计算 中 ， 要 确定 产 生最 不利 温度 荷 载 的极 值 气 象 条 件 下 的对 流 交 换 系数 h 。 ， 采 用 J u r g e s Nu s s e l t 公 式 进行 计算 。 厶 一 2 6 ( 二 4 - 1 5 4 ) ( 6 ) 式 中 v 为 外 界 风 速 ， 对 于 混凝 土桥 梁 结构 温 度 效 应 ， 为 了得 到 最 不 利 数值 ， 应 取 风速 为 零 。但 是 ， 考 虑到 风速为 零与 太 阳辐射强 度最 大等 极端 气象 条 件 同时 出现 的几 率 很 小 ， 通 常都 是 采 用 1 0 m s的 常数 风 速l 1 。 对 于辐射 换热 ， 根据 克希霍 夫定 律 ， 综合 混凝 土 表 面发射 和 吸收 热 辐射 的总 效 果 ， 混 凝 土 箱梁 外 表 面与外 界的辐 射换 热量 q l 1 l _ 为 q 一 C o r ( 2 7 3+ T ) 一 ( 2 7 3+ T) 一 ( 1一 g a ) c C。( 2 7 g 4- ) ( 7 ) 上式 可 以改写成 与公式 ( 5 ) 右侧类 似 的形 式 ， 即 q 一 h ( 丁 一 T)一 q ( 8 ) h 一 Co( 5 46 4- T 4- T) ( 2 3 7 4- T ) 。 4- ( 2 3 7 4- T) ( 9 ) q 一 ( 1一 ) s C。( 27 3 4- ) ( 1 o) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 土 木 建 筑 与 环 境 Z - 程 第 3 3卷 式 中 ： C o 为 S t e f a n B o l t z ma n n常数 ， 其 值 为 5 6 7 1 0 W ( m。 K )； 为物 体 的发 射率 ， 但 就混 凝 土 桥梁结构 温度范 围来 说 ， 可以将其 当成 1 个 常数 ， 在 缺乏 准确资料 时 ， 其发 射率 可 以取 为 0 9 0 l j ； 为 大气辐射 系数 ， 一 般情况下 ， 可取 为 0 8 2 “ ； 为表 面外法线 与地平 面的夹角 。 因此 ， 混 凝土箱 粱 外表 而 的综 合 换 热 系数 h的 计 算式为 ： 厶一五 + 一2 6 ( 二 7 +1 5 4 ) + 。 ( 5 4 6 + 丁 + 丁) r( 2 3 7+ T ) + ( 2 3 7+ T) ( 1 1 ) l _ 1 2 等 效空 气温 度 的计算 混 凝土 外 表 面总 的 边界 热交换 除上 述 提及 的对 流换 热 g 。和与 外 界 的 辐射换 热 q 外 ， 还包 括结 构 表 面实 际吸 收 的太 阳辐 射热流 密度 q ， 混凝土外 表面总 的边 界条件 为 3 T i r g +q +q ( 1 2 ) f ，T l 采用公 式 ( 5 ) 类似 的方 法将 式 ( 1 2 ) 转 换 成第 3 类 边界条件 ， 即混凝 土外表 面总 的边界 条件为 0 T l r h( T 一 T) + q q 一 c ，f h f T + T 1 =h ( T T ) ( 1 3 ) 、 式 中 ： 即为等效空 气 温度 。对 于 q 的计 算 推 导 过程 已有许 多文献论 述 ” ， 在此 不再详述 ； 气温 E t 过程 T 可以根据现 场实测 的数 据 ， 也 可以采用 正 弦 函数 1 4 - 1 ； 描述 ， 即 T ( )一 T + T s i n ( 1 4) l 式 中： 为 日平均气 温 ； 7 、 为气 温 日变化 幅 值 ； t 。 为用来 表示最 高气 温 和最低 气 温 出现 时问 的 参数 ， 例如 。一9 ， 则 最高气 温 出现在 下午 1 5时 ， 最 低气温 出现凌晨 3时 。 1 2箱梁 内表面 边界分析 混凝 土箱梁和空 心墩等 室 内表 面 的传 热边 界条 件 ， 包括各表 面 与箱 内空 气 的对 流换 热 以及 各表 面 相互 间的辐射 换热 ， 为 简化箱 内边 界 条件 ， 可采用 一 个表 面综合换 热系数来综 合表示 室 内的对流 和辐 射 换热口 ， 即将室 内边 界条件 表示 为 J 一 一 丁 ( 1 5 ) f 7 7 l 式 中 ： h 为对 流和辐射综 合换热 系数 ； 丁 。 为箱 内中 部的空气 温度 ， 由于箱 内空 气 温度 在 空 间上 基 本上 呈线性 分 布 ， 因 此 也 可 用 箱 内平 均 温 度 近 似 代 替 T 。 1 3 箱 梁温度场 的有 限元计 算 1 3 1 有 限元 单元 的选 取采 用 P L ANE 7 7热 单 元 ， P I ANE T 7是 2维 4节 点热 单 元 P I AN E 5 5 )的 高 阶单元 。每个节 点 只有 1 个 自由度 温度 。这 种 单元是二 次单元 ， 对 于大 多数分 析 ， 在 相 同的 网格 数 目下 ， 二 次单元 比线性单 元精度 高 。 1 3 2 混 凝 土热 参数 的确 定 在 进行 混凝 土 箱梁 温度 场的分 析时 ， 需 要选 取 混凝 士热力 学 参 数 的 问 题 ， 混凝 土 的热 物理性 质包 括导 热 系数 K 和 比热容 c 等 ， 影 响混 凝 土 热物 理 性 质 的主要 因素 是 骨 料 种 类 、 骨料用 量 、 混凝 土 的 含水 状 态 ， 由 于现 场 的条 件 因素 的限制 ， 无 法 获取 混凝 土 热 物理 性 质 的 实测 数 据 ， 但 是 国内外 的许 多 文献口 ” 已通 过实 测得 到 了 昆 凝土热 物理性 质 的数值 或 变 化范 围， 因此参 考 文 献 1 7 ， 取混凝土的比热为 8 8 0 J ( k g K) ； 导热系 数 为 2 5 w ( m K) ； 混 凝 土 的 密 度 为 2 5 0 0 k g m。 。 1 3 3 加 载计 算 根据 前述 1 1 、 1 2小节 中的理 论经验 公式 和气 象参 数 ， 建立 了混 凝 土箱 梁 各个 表 面 随时问变 化 的热交 换 边界 条 件 ， 并将 所 有 边界 条 件转化 为第 3类 边 界 条 件 ， 用 AN S YS软件 的结 构 化参数设计语言 AP D L， 将综合对 流系数和等效气 温施加在箱梁边界上 ， 并用 TUNI F命令来设置箱 梁 的初始 温度 以定 义其 初 始 条件 ， 以此 实现 箱 梁 温 度 场计算 。 2 工程算例与程序编制 为了解混 凝土 箱 梁 桥温 度 场 分布 的 一般 规 律 ， 对某一 双 线 特 大 连续 刚 构桥 进 行 了现 场 测 试 与 分 析 。此 大桥 为 主跨 1 9 2 m 大跨 刚构 桥 ， 主墩 墩高 分 别为 9 8 m和 6 9 m。该桥集高墩大跨于一体 ， 主跨 1 9 2 m 为 目前 世界第 2 、 亚洲最 大跨度预应 力混凝 土 连续 刚构铁 路桥 。每幅 箱 梁为 单 箱单 室 截 面 ， 箱梁 外悬 翼板宽 度 1 0 5 r n。 2 1 现 场 测 试 为 了反映 箱梁截 面温度分 布状态 沿桥 梁纵 向不 同位置 、 不 同截 面高度 箱梁 的温 度分 布情 况 ， 选择 了 4个 箱梁截 面为温度 观测截 面 ， 如 图 1所示 。截面上 的温度测点如下图 2所示。另外还设有测量箱梁外 的大气遮荫 气温的测点以及箱 梁内空气 温度 的测点 。 3 号截面 图 1 箱梁温度观测截面位置示意图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张 亮亮 ， 等 ： 大跨 混凝 土 箱梁温度 场分析 3 9 l l 2 l l 3 1 一l 4 1 号截面测点布置 3 - t 2 3 1 3 3 1 4 3 号截面测点布置 21 2 2一l 3 21 4 2 号截面测点布置 4-5 4一l 4一l 2 41 3 41 4 4 号截 面测点布置 图 2各观 测截 面测 点布 置 示 意 图 实测 采用 了美 国 DAI I AS公 司 的半 导体 智 能 温度数 字传 感 器 ， 每 隔 1 h采 集 一 次数 据 。 由测 试 结果 图 4 6可知 ， 箱梁 各板 表面测 点 的混 凝 土温 度 变化规 律基 本一 致 ， 呈 明显 的正 弦 变 化趋 势 。 由于 受 到较 强烈 的太 阳辐射 的影 响 ， 箱 梁 顶 板 上 表 面 的 混 凝土 温度 明显 高 于 同一 时 刻 的箱 外气 温 ， 测 试 期 问 ， 最 高温度 约为 4 6 ； 由 于此 桥各 壁 板 厚 度较 大 ， 箱 内各测 点温 度 值 变化 幅度 不 大 ， 每 天 的 波 动小 于 1 ； 此桥 梁身 高且 翼 缘 板 较 短 ， 在 太 阳较 强 烈 时腹 板能 受到 太 阳直射 作 用 ， 东 侧 腹 板 混凝 土 温度 日极 值 出现在 上午 1 l点 左 右 ， 西 侧 腹 板 出现 在 下 午 1 6 点左 右 ， 最 高 温 度 约 为 4 0 。 在 太 阳 辐 射 的 作 用 下 ， 箱 梁沿 梁高 与梁宽 的温差 较 大而 沿桥 纵 向方 向 ， 不 同截面相 同 位置 测 点 温 度变 化 规 律 基 本 一 致 ， 若 从 工程 实用角 度 考 虑 ， 可 以 忽 略沿 桥 长 方 向 的温 差 影响 ； 牛角坪 大桥箱 梁沿 梁高 、 梁宽 方 向存 在较 大 的 温度 梯 度 ， 沿 梁 高 方 向 温度 梯 度 可 达 2 O IC， 沿 梁 宽 方 向温 度梯度 可达 1 5 C。 暑 罨 罨 摹 量 零 星 零 星 摹 景 睾 一 = 兰 2 瓮 时刻 ( 复季8 月 ) 图 3顶 板 表 面 实 测 温 度 与箱 外气 温 44 4 0 3 6 3 2 赠 2 8 24 2 0 赠 赠 星 星 g 昌 g 8 g 呈 呈 星 g 星 一f f 时刻 ( 夏季8 月 ) 图 4 东侧 腹 板 实 测 温 度 与 箱 外 气 温 时刻 ( 夏季8 月 ) 图 5 西 侧 腹 板 实 测 温 度 与 箱 外 气 温 时刻 ( 夏 季8 月 ) 图 6底 板 实测 温 度 与 箱 外 气 温 2 2数 值模 拟与 实测数 据 比较 按照 上述 的数 值 模 拟 方 法 ， 以 2 0 0 9年 8月 1 5 13为 计算 日期 ， 进 行 温 度 场 分 析 。根 据有 关 实 验 资 料和 气象资 料 ， 计 算参 数如 下 ： 桥 的地理 纬度 3 2 5 。 ； 地理 经度 1 0 8 。 ； 桥 梁 中轴线方 位角 为 1 3 9 。 ； 箱 外平 均 风速 为 1 3 m s ； 气 温变 化 范 围 为 2 1 1 。 3 4 5 。 ； 太 阳辐射 吸收 率 0 6 ； 地 表 短 波 反射 率 为 0 1 ； 其他 混 凝 土参 数和 气象参 数参 照该文 1 1 、 1 3小节 。 温度 场 按平 面有 限元 分 析 ， 温 度 场 分 析结 果 包 括 不 同时刻 截面 内的 温度 分 布 ， 以及 不 同 点位 的温 度 日变 化过 程 。为 了对基 于箱 梁表 面热 交换 平衡 理 论 的箱梁 温度 场 数值 仿 真 分 析 的 准 确性 进 行 验 证 ， 舛 勰 如 芝 赵廷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 O 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 采用 A P D L参数 化建模 ， 建立 空 间有 限元 模 型进 行 计 算分析 。分析模型 节点数 4 4 7 7 2 ， 单元 数 1 4 4 5 0 ， 如图 7所 示 ， 图 8为最 不 利 时刻 截 面 温 度 的 分 布 。 图 9给 出了各 板外表 面处计算 和实测 温度 变化 日过 程 曲线 的对 比 。从 图 可见 ， 计 算 值 和实 测值 吻合 良 图 7 箱梁跨中截面有限元模型 4 8 3 6 3 2 餮 2 0 好 ， 两 者差值 大 都在 2 C 以内 ， 计算 过程 线不 论是 曲 线变化趋 势还是 峰值 出现时刻都 与实测 过程 线是 一 致 的， 说 明利用 气 象资 料 进行 混凝 土 桥 梁 的温 度 场 分析 ， 可以得到 在工程 上足够准 确的结果 。 图 8箱梁跨中截面有限元模型 螽囊 2 3箱梁 温度场程序 的二次 开发 通过前 述数值 模 拟 与实 测 数据 对 比表 面表 明 ， 采 用该方法来模 拟箱梁 在太 阳辐 射作 用下 的温度 场 可 以达到理想 的精 度 ， 然 而基 于该 方 法 需设 定 的 相 关参数 众多 ， 针对 不 同几 何尺寸 、 气温 、 桥梁 方位 、 地 理位 置以及材料 物理性 能等参数 下 的混 凝 土箱梁 温 度场若通 过手动 去一一更 改相 关参 数 在 A NS YS中 的取值 ， 实为繁琐 且容 易 出错 。以 ANS YS为平 台 ， 将上述方 法编 制成 有 限元 分 析 的参 数化 程 序模 块 ， 具体计算 时 ， 只需 在 编 制模 块 的对 话框 中设 定有 关 参数 ， 即可 自动调 用编制 的命 令流完 成从 单元 划分 、 边界条件 计算 、 温度 场 求解 直 到计 算结 果输 出 的整 个分析 过 程 。计 算 混 凝 土 温 度 场 的 程 序 框 图如 图 1 0 所 示 ， 图 1 l为编 制 模 块 中 的设 定 桥 址 参数 的对 话框 。 一底板实测 f ) 底板 l 混凝土材料参数输入模块 + 箱 截 面尺寸输入模块 桥址相关参数输入模块 程序 自动建模求解 ( 完 成 ) 图 1 0程 序 操作 流 程 图 4 9 图 ， - 8 5 皈 页 9 O 6 ( 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张 亮亮 ， 等 ： 大跨 混凝 土 箱梁 温度场 分析 4 1 图 1 1 桥 址处 相 关 参数 输入 对话 框 3箱梁壁厚方 向的温度梯度模 式研 究 对 不 同厚 度壁 板沿 板 厚 方 向 温差 曲线 的 指 数 的取值 ， 现行 规范 仅给 出 了壁 板厚 度小 于 0 2 6 m 所 对 应 的具 体 值 。随着 预 应 力 的发 展 ， 大 跨 度 大 壁 厚 预应力 混凝 土箱 梁得 到 了广 泛 的应 用 。为 了完 善 大壁厚 混凝土 箱 梁 沿板 厚 温 差 曲线 指 数 的 取值 ， 基 于前述 方法 与 AN S YS中编 制 的模 块 ， 分 别 计 算 不 同顶 板板 厚和 不 同腹板 板厚箱 梁 的 日照温 度 场 。选 取 出现 最 大 板 厚 温 差 时 刻 的 数 据 ， 利 用 MATL AB 按 以下公 式口 。 侧 对 其 进 行 拟 合 ， 得 到 不 同板 厚 下 的 温 差指数 函数 ， 为今 后规 范 的修 正 提供参 考 。 T。e p ( 1 6 ) 式 中 ， 为沿板 厚 的最 大 温 差 ； 为 计 算 点 至 板 外 表面的距 离； 为计算点位 置处 的温差 值； 为系 数 。 3 1 不 同顶 板板厚 温差 分布 拟合 结果 表 明 ， 顶 板 厚度 越 大 ， 温 差 以及指 数 值 越趋 于稳定 。当顶板 壁厚 5 0 c m 时 ， 拟合得 到 的顶板 温差 曲线 基 本 重 合 ， 可 以用 l条 相 同 的指 数 函数来 表示 。 表 1 不 同厚 度 顶 板 的 温 差 及 系 数 卢拟 合 值 顶 板 板 厚 c m 项 目 30 40 5 0 60 7 0 80 温 差 T o 1 9 0 5 2 2 1 4 2 5 2 2 2 9 3 2 2 4 8 1 2 2 4 5 3 2 2 3 9 2 口指数8 3 0 0 7 3 0 5 6 9 3 2 6 8 6 7 6 9 1 6 6 9 8 1 3 2不 同腹板 板厚 温差分 布 拟合 结果 表 明 ， 腹板 厚 度 越 大 ， 温差 以及 指 数 值越 趋于稳 定 。 当腹板 壁厚 4 0 c m 时 ， 拟 合得 到 的腹板 温差 曲线 基 本 重 合 ， 可 以用 1条相 同 的指 数 函数来 表示 。 表 2不 同 厚 度腹 板 的温 差 及 系 数 拟 合 值 腹板 板 厚 c m 】 页目 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 温 差 1 2 1 8 4 1 2 7 61 1 2 8 3 7 1 2 8 9 9 1 2 9 56 1 2 9 9 4 口 指数 l O 5 5 9 8 7 1 9 8 1 7 9 7 8 9 7 3 9 9 7 1 9 通过对 不 同板 厚 温 差 分 布进 行 分 析 ， 可 以得 出 当板 超过一 定 的 厚度 时 ， 沿 板 厚 的 温差 分 布 可 以认 为一 致 ， 可 以用 相 同的 指数 函数 表 示 。但 温 差 指 数 系数 收敛 时 的壁 板厚 与 规 范 的 0 2 6 I T I 有 一定 的差 别 。规范规 定 的当板厚 大 于 0 2 6 m 时 ， 指 数系数 统 一 取 1 0 0 ， 而计 算 表 明 ， 随着板 厚 的继 续增 加 ， 顶 板 板 厚增 加 到 0 5 1T I 时 ， 温 差系 数大 约 收敛 于 7 0 ； 腹 板 板厚 增加 到 0 4 m 时 ， 温差 系数大 约收敛 于 l O 0 。 现行规 范 只给 出板 厚 0 0 2 6 1 T I 的 温差 指 数 ， 应增 加 不 同板厚 对应 的温差 指数 ， 建议 每隔 0 0 5 m 增加 0 2 6 0 5 1T I 所对 应 的温差指 数 的取值 。 4 结 论 根 据某 双线连 续 刚构桥 的现场 测试 数 据 和仿真 分 析结 果可得 到 以下结 论 ： 1 ) 沿桥纵 向方 向 ， 不 同截 面相 同位 置 测 点 温度 变 化规 律基本 一致 ， 若从 工程 实用 角度 考 虑 ， 可 以忽 略 沿桥 长方 向 的温 差 影 响 。 因此 温 度 场测 试 时 ， 温 度传 感器 主要 沿箱 梁横截 面布 置 。 由于温 度沿 板厚 的非 线性 分布 ， 各板 厚方 向温度 测点 不应 少于 4个 。 2 ) 在 I： I 照 作用 下 ， 无 碴无枕 铁路 桥箱 梁 沿梁 高 、 梁宽 方 向存在 较 大 的温 度 梯 度 ， 沿 梁 高 方 向温 度 梯 度可 达 2 O ， 沿梁 宽方 向温 度梯度 可达 1 5 。 C。 3 ) 与实测 数据 对 比分 析 表 明 ， 基 于 箱 梁表 面 热 交换 平衡 理论 对混凝 土箱 梁进 行温度 场 模拟 可 以达 到理 想 的精 度 ， 用于 指导工 程实 践 。 4 ) 壁板 超 过一 定 的 厚 度 时 ， 沿 板 厚 的温 差 分 布 可 以认为一 致 ， 可 以用 相 同 的 指数 函数 表 示 。但 温 差指 数 系数 收敛 时 的壁 板 厚 与规 范 的 0 2 6 r f l 有 一 定 的差别 。现行 规范 只给 出板厚 0 0 2 6 m 的温 差 指数 ， 建议 每 隔 0 0 5 m 增加 0 2 6 0 5 m 所对应 的 温差 指数 的取值 。 5 ) 实例 计 算 表 明 ， 以 ANS YS二 次 开 发 为平 台 自行 编制 的箱梁 温度 场计算程 序 ， 界 面友 好 、 操 作 简 易 ， 可 以减少 大量 重复 性工作 ， 可 以提高 工作效 率 。 参考 文献 ： 1姚 邻 森桥 梁 工 程 M3 2版 北 京 ： 人 民 交 通 出 版 社 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 2 0 08 2 S AE T TA， A NN A S t r e s s a n a l y s i s o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o v a r i a b l e t h e r m a l l o a d s J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g，1 9 9 5 ，1 2 1 ( 3 ) ： 4 4 6 45 7 3陈 衡 治 预 应力 混 凝 土 箱梁 桥 的 温 度 场 和应 力场 r J 浙 江大学学报 ， 2 0 0 5 ， ( 1 2 ) ： l 8 8 5 1 8 9 0 CHEN H EN( ZH I Te mp e r a t u r e f i e l d a n d s t r e s s f i e l d