自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究.pdf

2 0 1 1年 1 0月 第 2卷 第5期 高速铁路 S P EE D RAI L W AY 技术 r E C HN0 L 0GY No 5 Vo 1 2 0c t 2 011 文章编号 ：1 6 7 4 -8 2 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 5 一 _ o 0 l 3 _ _ 0 4 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 褚强程海根 ( 华东交通大学 ， 南昌3 3 0 0 1 3 ) 摘 要： 以单箱单室混凝连续箱梁桥为分析对象 ， 利用热传导理论与有限元软件 A N S Y S相结合的方法计算其 截面温度理论分布， 并将理论值与实测值、 规范值进行 比较。文章以国家重点工程沙溪河特大桥为例， 进行 温度场的 J 【 _ 算， 通过对理论值与实测值 比较 ， 分析了利用有限元软件计算温度场产生误差的原因， 并 提出相关建f 义 ! 得出桥梁温度场的情况后， 沿梁高一定长度取温度最大值， 将得出的温度梯度模式与现行 规范进行 比较 ， 发现其形式近似于新西兰规范。由于沿界面梁高会产生较大的温差 ， 因此在实际计算和施工 中， 温度分布及相应产生的温度应力需要引起高度重视。 关键词 ： 自然环境；连续梁桥；单箱单室；温度场； A N S Y S 中图分 类号 ： U 4 4 1 5 文献标识码 ： A An a l y s i s a nd Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o f Te rn S e c t i o n o f Co n c r e t e Bo x Be a m i n Co m p l e x CHU Qi a n g C HE N G Ha i - g e n r a t ur e i n s i d e Cr o s s Na t u r a l Ba c k g r o un d s ( E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T a k i n g a s i n g l e e a r r i a g e w a y a n d s i n g l e c e l l b o x c o n t i n u o u s c o n c r e t e g i r d e r b ri d g e a s t h e a n a l y s i s o b j e c t ， t h i s p a p e r c a l c u l a t e s t h e t h e o r y d i s t r i b u t i o n o f s e c t i o n t e mp e r a t u r e b y c o mb i n i n g h e a t t r a n s f e r t h e o ry w i t h fi n i t e e l e me n t s o ft wa r e ANS YS，a n d c o mp a r e s t h e o r e t i c a l v a l u e wi t h me a s u r e d v a l ue a n d s t a n d a r d v a l u e I t a l s o t a k e s t he S ha x i riv e r s u pe r m a j o r b ri d g e ， a n a t i o n al k e y p r o j e c t ， f o r e x a mp l e ，c a l c u l a t i n g t h e t e m p e r a t u r e fi l e d ， t h r o u g h c o m p a ri s o n o f t h e o r e t i c a l v a l u e wi t h t h e me a s u r e d v a l u e，a n a l y s e s t h e c a u s e s o f e r r o r s i n t h e c a l c u l a t i o n o f t e mp e r a t u r e fi e l d u s i n g fi n i t e e l e me n t s o ft w a r e ，a n d p u t s f o r wa r d r e l e v a n t s u g g e s t i o n s Aft e r d r a w i n g t e mp e r a t u r e fi e l d，t a k e t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e v a l u e a l o n g t h e b e a m l e n g t h，t h r o u g h c o mp a rin g t e mp e r a t u r e g r a d i e n t mo d e l wi t h t h e c u r r e n t s p e c i fi c a t i o n，t h e f o r m s i mi l a r t o Ne w Z e a l a n d n o r ms i s f o u n d As t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e O c c u r s a l o n g t h e i nt e r f a c e b e a ms，S O i n p r a c t i c a l c o mp ut a t i o n a n d c o n s t r u c t i o n，a t t e n t i o n mus t be p a i d t o t he t e mp e r a t u r e Ke y wor ds： na t u r a l ba c k g r o un d s；c o n t i n u o u s b e a m br i d g e； S YS 引言 混凝土箱形截面具有抗扭 刚度大 、 顶板和底板 预 应力钢筋布置方便 、 适应现代化施工等优点 ， 因此 ， 在 公路和铁路混凝土连续梁 中大量采用箱型截面。由于 桥梁长期置于外界环境下 ， 必然受到外界 自然环境 的 影响。自然气候产生 的温度荷载 ， 包括 日照温度荷载 、 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 7 - 0 6 作者简介 ： 褚强( 1 9 8 8 ) ， 男 ， 在读 硕士研究生。 基 金项 目： 江西省教育厅科学技术研究项 目( G J J 1 0 4 6 2 ) 资助 d i s t r i b u t i o n a n d t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s e s d e riv e d f r o m i t a s i n g l e c a r r i a g e wa y a nd s i n g l e c e l l b o x；t h e rm a l fie l d；AN一 年温度荷载及骤然降温温度荷载。其中以日照温度变 化最为复杂， 既有太 阳辐射引起的局部性 ， 又有混凝土 传热带来的不均匀性。施工或使用中温度变化时， 必 然使箱梁内部温度分布不均匀 而产 生较大的温度梯 度。由于各部分温度不同必然产生变形， 但却被结构 内外约束所阻止， 随之而来的便是产生不可忽视的温 度应力 ， 给桥梁的受力和线形都带来影响。 经过许多专家的研究发现 ， 影响此温度应力 的因 素主要包括太阳辐射、 环境温度及风速等。 虽然公路、 铁路等混凝土设计规范对于温度场的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 褚强， 等： 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 2 0 1 1年 1 0月 取值都给出了相应的计算公式或图表_ 1 。 ， 但在实际 设计过程中， 很多设计人员反映采用规范温度模式计 算较难通过 ， 给设计带来较多的实际问题。针对上述 情况 ， 很多设计人员往往不按规范取温度值 ， 而是根据 经验来取值 ， 带有一定 的随机性 ， 缺乏实测 数据。因 此 ， 随着如 A N S Y S 、 MI D A S等专业设计软件 的完善 ， 有 必要对 箱 梁桥 温 度场 及 温度 应 力进 行更 加 深入 的 研究。 2温度分布求解方法 为了分析各个时刻的温度分布 ， 则必须分析热量 的传递。自然界 中热量传递有3种基本方式 ， 它们是 热传导、 热对流和热辐射。所有的热传递都是以这 3 种方式进行的。实际的传热过程可以是由其中 1 种 热量传递方式进行的 ， 但大部分情况是 由以上 2种或 3 种方式结合在一起进行的。首先根据文献 4 -6 做 以下假设 ： ( 1 ) 桥梁混凝土材料是均质的和各 向同性的； ( 2 ) 桥梁沿轴线方向温度分布均匀 ； ( 3 ) 物性参数为常数； ( 4 ) 相对于整个物体受温度变化影响导致的单元 l I D 体 积 根据上述假定 ， 把本文研究的混凝 土箱梁温度场 的计算问题归结为求解无内热源二维平面瞬态温度场 的微分方程问题， 单元体如图 1 所示。 + 图 1 热传导计算单元体图 Q 通过 ， Y方 向进入 微兀 体 的热流 量 司按傅 里 叶定 律得出 ： Q = 0 T d ； Q =一A ( 1 ) 微元体内能增量为： c譬 d y d z P ( 2 ) 。 z 根据能量守恒定律 ： d =d 。 +d U ( 3 ) 即为 导入微元体1 导出微元体1 微元体热力1 的总热流量J L 的总热流量J L 学能的增量 ( 4 ) 把上述公式代人能量守恒公式， 得N-维传导微 分方程 ： ( A )+ ( A o d v r )=p c O T ( 5 ) 其中： 人材料的导热系数 ， w ( m K) ； P材料的密度 ， ( k g m ) ； C 材料的质量热容， J ( k g K ) 。 为了求解导热问题所涉及到 的温度分布 ， 还必须 给出表征该具体问题的一些附加条件。热传导微分方 程及其定解条件构成了一个具体的热传导问题的数学 描述。对于非稳态热传导问题， 定解条件包括初始条 件和边界条件。初始条件是指初始时刻物体内的温度 分布， 边界条件则指物体边界上的传热状况。 平面导热微分方程初始条件 7 为 ： t =t o T ( ， Y )=r o ( ， Y ) ( 6 ) 其中， ( ， Y ) 为系统内部温度分布。 在物体边界上， 传热边界条件可分为以下 3 类： ( 1 ) 已知物体边界壁面 的温度 ， 称 为第 1类边界 条件。这类边界条件给定 了物体壁 面上 的温度值 ， 一 般可表示为： = ，Y ， t ) ( 7 ) 式中： r w 已知外边界的温度值； ，Y ， t ) 边界上的温度函数。 ( 2 ) 已知物体边界壁面 的热流密度 ， 称为第 2类 边界条件。这类边界条件一般可表示为： 一 A 三 l = I厂 ( ， y ， f ) ( 8 ) dn l 式中： 物体壁面的法线方向； ，Y ， t ) 边 界 t时 刻 的 热 流 密 度 函数 ， ( W m) ， 方 向为外 法线 方 向， 规 定向外流 出为正 ， 反之为负。 ( 3 ) 已知与物体壁面接触的流体温度值以及换热 系数， 称为第 3 类边界条件。 一 A l=h ( T ) ( 9 ) G l n l 式 中： 换热系数 ； 与壁面接触的流体的温度值。 比较 3类边界条件 ， 考虑到外界流体温度较容易 测得， 而换热系数也可以通过简单计算得出。本文拟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 褚强， 等 ： 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 2 0 1 1年 1 0月 用第 3类边界条件模拟箱梁边界太 阳辐射以及与大气 辐射 、 对流的换热过程 。 3 实例分 析 3 1 工程概况 国家重点工程 向莆铁路 F J 一2标万能联络线沙溪 河特大桥是一座典型 的预应力混凝 土连续梁桥 ， 跨径 组合为4 8 m+ 8 0 m+ 8 0 113 + 4 8 m， 截面为单箱单室、 顶板 、 腹板和底板从直线末端到支座处均变厚度 ， 根部 截面如图2 所示。实际工程中， 在 0号块端部埋有温 度测量计 ， 且 由于认为桥梁纵 向的温度分布是均匀 的， 所以选取桥梁支座处截面建模将三维热分析问题转化 为二维来分析。 76 o 0 1 J 图2 支座处截面尺寸图( 单位 ： c m) 流换热系数 + 等效对流换热系数( 即后文所说的辐射 换热系数) ， 对流换热系数的取值用凯尔别克公式计 算 。根据气象资料， 当地年平均风速为 1 8 m s ： 辐 射换热系数根据表 1 ， 取值为5 8 w ( 1-fl K ) 。 表 1 与 、 的关系表 h 随 和 的关系 T f = 2 O T f =3 0 ：4 0 =5 0 T =2 O 5 0 6 5 3 3 5 6 5 8 9 T=3 0 5 3 3 5 6 5 8 8 6 1 7 T=4 0 5 6 5 8 8 6 1 7 6 4 7 T=5 O 5 8 9 6 1 8 6 4 7 6 7 8 将上述参数输入 A N S Y S ， 然后 输入初始外 界大气 温度， 即可以得到箱梁初始温度分布及下午 1 7 ： 4 O时 的温度分布 ， 如图 4 、 图5所示 。 Z y 2 7 0l 7 2 7 1 2 4 2 7 2 3 1 2 7 3 3 7 2 7 4 4 4 2 7 O 7 2 7 1 7 7 2 7 2 8 4 2 7 _ 3 9 1 2 7 4 9 7 图4 上午 7 ： 2 0初始温度分布图 3 2 有限元模型建立 z 混凝土箱梁采用 二维热 分析 四节点 四边形单 元 P L A N E 5 5 ， 在有限元程序 中将截面划分为 1 1 9 0 个单 元， 1 4 0 0 个节点， 支座处截面单元划分如图3 所示。 Z 图3 支座处截面单元划分图 计算参数 ： 导热系数取 3 2 V - ( 2 1 K) 、 质量热容 取 9 2 0 J ( k g K) 、 热膨胀系数取 1 01 0 K、 密度取 2 5 0 0 k g m ； 对于边界条件来说 ， 可 以利用施加换 热 系数于箱梁 内外部面上来实现 ， 即： 综合交换系数 =对 r1 l 厶 27 9 79 2 92 6 7 3 0 5 5 5 3 1 8 43 3 3 1 3 2 2 8 62 3 2 9 9I 1 3 1 1 93 3 2 4 8 8 3 3 7 7 4 图 5 下午 1 7 ： 4 0温度分布 图 如图 6所示 ， 现场工程 中对 于桥梁进行 了监控测 量， 在梁体内部预埋了温度元件， 对梁体内部几个重要 点的温度进行 了测量 ； 在桥梁外部设有 温度计 ， 用来 测定外界温度( 如图6所示) 。1 d 分为 4次测量， 即 上午7 ： 2 0 、 1 0 ： 3 0 、 下午 1 3 ： 4 0 、 1 7 ： 4 0 ， 再加上次 日7 ： 2 0 数值， 整合为 I d 2 4小时的温度边界条件。 由表 2 可知， 对比实测数据与计算数据， 基本相差 2 。 【 = ， 但从 图 7 、 图 8可 以看出温度上升下降趋势基 本一致 ， 造成的原因可能有下列几点 ： 引 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m D 第 5期 褚强， 等： 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 2 0 l 1年 1 0月 图6 温度测试元件布置图( 单位： m) ( 1 ) 实际测量误差。现实中由于各项因素造成的 读数误差是不可避免的。 ( 2 ) 前文假设桥梁混凝土材料是均质的和各向同 性的、 物性参数为常数 ， 这在实际中是不太可能做到完 全一致的， 即使在一片 1 i n 的空间内由于浇注等原因 造成的空隙大小等 因素都 能导致局部导热 系数 、 比热 的差异。 ( 3 ) 在程序中计算出来的 1 d中的温度场的初始 条件不能取当天 ， 应该取前 1 d的7： 2 0 ， 对于? 昆 凝土惰 性材料来讲， 升降温需要的时问比较长， 所以程序计算 出来的温度存在误差。 表 2 实测数据与计算数据对比表 测点编号 2 0 1 0 0 70 1 ( 7： 2 0 ) 2 0 1 0一O 7 0 1 ( 1 0 ： 3 0) 2 0 1 0一 O 7 0 1 ( 1 3 ： 4 0 ) 2 0 1 00 7一 O l ( 1 7 ： 4 0 ) 2 0 1 0 0 70 2 ( 7： 2 0 ) 1 2 8 8 ( 2 7 0 6 1 ) 2 8 9 ( 2 7 2 5 4 ) 3 1 3 ( 2 9 0 8 1 ) 3 1 8 ( 2 9 6 4 7 ) 3 0 6 ( 2 9 7 1 5) 2 2 8 6 ( 2 7 1 0 5 ) 2 9 2 ( 2 7 3 6 ) 3 3 9f 2 9 5 9 1 3 4 2 ( 3 0 3 0 4 ) 3 1 4 ( 3 0 3 7 6) 3 2 9 0 ( 2 7 0 6 7 ) 2 9 2 ( 2 7 1 5 ) 3 2 8 ( 3 0 4 8 6) 3 3 6 ( 3 O 9 3 1 ) 3 1 7 ( 3 O 0 0 4) 4 3 O 7 ( 2 7 0 7 1 ) 3 0 0 ( 2 7 0 9 9 ) 2 9 8 ( 2 8 2 8 9 ) 2 9 7 ( 2 8 8 4 1 ) 3 1 0 ( 3 O 4 2 ) 5 2 9 1 ( 2 7 2 4 1 ) 2 8 8 ( 2 7 1 4 3 ) 2 8 0 ( 2 7 0 4 6) 2 8 0 ( 2 7 2 3 7 ) 3 0 2 ( 2 9 1 3 2) 6 3 0 1 ( 2 7 1 0 8 ) 3 0 1 ( 2 7 1 1 3 ) 2 9 0( 2 7 042 ) 2 9 5 ( 2 8 0 0 8 ) 3 0 9( 2 9 4 7 4) 7 ( 8 9 ) 3 0 0 ( 2 7 9) 3 O 3 ( 2 8 1 ) 2 9 6 ( 2 7 8 ) 3 0 1 ( 2 8 1 ) 3 0 4 ( 2 8 5) 1 0 3 0 6 ( 2 7 2 1 8 ) 3 0 5 ( 2 7 2 6 ) 3 0 6 ( 2 8 5 2 3 ) 3 0 9 ( 2 9 1 0 5 ) 2 9 5( 3 0 1 6 8 ) 注： 括号内为计算数据， 括号外为实测数据， 单位为。 时间 图7 l号测点实测及计算结果比较图 时间 图8 2号测点实测及计算结果比较图 在沿梁高每 0 2 5 m取 1次温度最大值 可以得到 上面沿梁高温度梯度分布图。经过对 比实际温度梯度 模式( 如图9所示 ) 与规范 的模式 ( 如 图 1 0所示 ) ， 由 于考虑到温度沿竖向分布及材料的不均匀性， 即温度 沿梁高分布为非线性 ， 认 为此梯度模式 比较接近于新 西兰规范如图1 0所示。因此， 在计算桥梁温度分布及 -0 5 0 0 5 1 1 5 2 温度( ) 图 9 实际温度梯度图 ( mm) 。 图 1 O 新西兰温度梯度规范图 ( 下转第 3 3页) 7 6 5 4 3 2 1 O 一 山) 随蟹 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 任冲： 成都铁路枢纽环线承担城市交通功能的探讨 2 0 1 1 年 1 0月 表 1 线路能 力适应 性分析表 2 01 5拄 2 0 2 0丘 区间 通 过能力 ( x 日) 通过能力 ( 对日) 列车对数 列 车对数 皿 全 混 混使 _)、 ， 皿 全 混 混使 成都成都东 8 0 2 6 7 1 7 8 1 7 8 1 6 0 1 0 0 3 5 6 2 3 7 2 3 7 2 1 3 成都东成都南 8 8 2 6 8 1 7 8 1 6 2 1 4 4 1 1 2 3 5 7 2 3 8 2 1 4 1 9 0 成都南成都西 8 6 2 6 7 1 7 8 1 6 6 1 4 8 1 0 9 3 5 6 2 3 7 2 l 9 1 9 5 成都西一安靖 9 8 2 6 8 1 7 8 1 4 2 1 2 4 1 2 7 3 5 7 2 3 8 1 8 4 1 6 O 安靖成都 1 0 5 2 6 8 1 7 8 1 2 8 1 1 O 1 3 7 3 5 7 2 3 8 1 6 4 1 4 0 势和劣势分析基础上， 借鉴国外铁路环线服务城市交 通的经验， 发挥优势、 克服劣势， 实现了成都铁路环线 服务城市交通的功能， 并对其它类似城市铁路环线利 用具有一定指导意义 。 ( 1 ) 利用铁路环线 服务城 市交通 ， 应 坚持铁路与 城市“ 共有 、 共享 、 共融” 的发展理念和“ 公 交化、 平 民 化” 的建设和运营理念。 ( 2 ) 通过铁路环线简易加站 、 调整轨道线 网等工 程技术措施 ， 实现环线铁路与城市轨道交通资源共享 、 无缝衔接和换乘 。 ( 3 ) 调整铁路环线和放射线运 营组织方案 ， 实现 环线列车公交化运行。 参考文献 ： 1 中铁二院工程集团有限责任公司 成都经济区轨道交通线网总体 规划 R 成都： 中铁二院工程集团有限责任公司， 2 0 1 0 2 成铁运 2 0 0 9 ， 列车运行图技术资料 s 3 房新智， 杜文 成都铁路环线开行公交化列车的探讨 J 中国铁 路 ， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 4 8 5 1 4 张 国宝 城 市 轨 道 交 通 运 输 组 织 M 北 京 ： 中国 铁 道 出 版 社 2 0 0 0 ( 上接第 1 6页) 应力时， 可使用新西兰规范来取值。但非线性函数计 算较复杂， 升温降温具体值以及函数需要通过计算与 实 际相结合来确定 ， 视情况将上部非线性用线性代替 。 由于实际取测量控制点较困难， 本文对温度值的取值 未作相应研究 。 4 结论 通过对实际桥梁分析 ， 可 以知道对于桥梁温度效 应 的研究是 十分复杂的。但混凝土箱梁 已广泛应用于 桥梁结构 ， 由于混凝土不可避免地受到大气环境 的影 响 ， 这种影响随温度的变化 而变化 。混凝 土是惰性材 料， 施工中温度变化时， 必然使混凝土箱梁内温度分布 不均从而产生较大的温度梯度。随之而来的温度效应 给桥梁 的受力和线形都带来影响。这样使得温度效应 的研究越来越得到重视。希望通过对温度效应 的研究 使得设计单位在设计 桥梁受力更加准确 ， 使得施工单 位 施 工 控 制 越 来 越 精 确 、 简 便 。l _ 参考文献 ： 1 李立峰， 邵旭东， 程翔云 混凝土箱形粱桥的温度梯度研究 J 公 路工程 ， 2 0 0 1 ( 4) ： 3 84 0 2 马毓泉 ， 汪屏 ， 冯 云成 中、 英 、 美规 范温 度梯度 效应 的分 析 比较 J 交通科技 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 6 7 7 O 3 J T G D 6 0 2 0 0 4 ， 公路桥涵通用设计规范 s 4 Mi r a m b e l l E a n d C o s t a J T h e rma l s t r e s s e s i n c o m p o s i t e b ri d g e s a c c o r d i n g t o B S 5 4 0 0 a n d E C 1 I J 1 P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n of C i v i l E n g i n e e r s ，S t r u c t u r e s a n d B u i l d i n g s ， 1 9 9 7 ， 1 2 2 ( 3 )： 2 8 1 2 9 2 5 S a e t t a A ， S e o t t a R a n d V i t M i a n i R S t r e s s a n a l y s i s o f e o n e r e t e s t r u e - 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 rna l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 5， 1 2 1 ( 3 )： 4 4 64 5 7 6 Mi r a m b e l l E and A g u a d o AT e m p e r a t u r e a n d s t r e s s d i s t ri b u t i o n s i n c o n c r e t e b o x g i r d e r b r i d g e s J J o u r n a l o f s t ruc t u r a l e n g i n e e r i n g ， 1 9 9 0 ， 1 1 6 ( 9 ) ： 2 3 8 8 2 4 0 9 7 许国良， 王晓墨， 邬田华， 等 工程传热学 M 北京： 中国电力出 版社 ， 2 0 0 5 8 E n ri q u e Mi r a m b e l l a n d A n t o n i o A g u a d o ， T e mp e r a t u r e a n d S t r e s s D i s t r i b u t i o n s i n C o n c r e t e B o x G i r d e r B ri d g e 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 ri n g ， 1 9 9 0 ， 1 1 6 ( 9 ) ： 2 3 8 8 2 4 0 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m