咸阳地区夏季混凝土刚构桥温度梯度分析.pdf

第 4 0卷， 第 5期 2 0 1 5年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 4 0，No 5 Oc t， 2 0 1 5 咸 阳地 区夏季混凝土刚构桥温度梯度分析 陈 凯旋 ， 高大 峰 ，董旭 ， 路军 ( 西安建筑科 技大学 土木工程学院 ， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要】为 了得出成阳地区合理的混凝土箱梁温度梯度 ， 本文 以咸旬高速三水河特大桥 为背景 ， 通过对混凝 土箱梁进行 2 4 h温度监控 ， 基于经典热力学理论 ， 建立 A N S Y S 模 型， 采用瞬态热分析 ， 求 出该桥梁夏季最不利时刻 ( 1 5时 ) 的理论的温度场； 并用实测温度值 与求得 的理论温度值 比较 ， 得 出适合该地区 的夏 季混凝土箱梁温度场 分 布图 ； 最后对 比国 内外公路 规范 ， 可知该 温度梯度较 为合理 。 关键词温度场 ； 太 阳辐射 ； 混凝土箱梁 中图分类号】U 4 4 1 5 文献标识码 】A 文章 编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 2 6 8 0 5 Co n c r e t e Co n t i n u o u s Ri g i d Fr a m e Br i d g e Te mpe r a t u r e Gr a d i e n t An a l y s i s o f Xi a n y a n g Ar e a i n Su mme r CH EN Ka i x ua n，GAO Da f e ng，DONG Xu，L U J u n ( X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y ， X i a n ， S h a n x i 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t I n o r d e r t o o b t a i n t h e r e a s o n a b l e c o n c r e t e b e a m b r i d g e t e m p e r a t u r e g r a d i e n t i n X i a n y a ng a r e a， t h i s a r t i c l e e s t a b l i s h e d t h e ANS YS mo d e l ba s e d O i l t h e c l a s s i c a l t h e r mo d y n a mi c s t he o r y v i a 2 4h o u r s t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g o f t he c o n c r e t e b o x g i r d e r a g a i n s t t h e b a c k g r o u n d o f Ex t r a - l a r g e Br i d g e o n Xi a n Xu n Hi g h wa y a c r o s s t h e S a n s hu i Ri v e r ， c a l c u l a t i n g t he t he o r e t i c a l t h e r ma l fie l d a t t he mo s t u n f a v o r a b l e m o m e n t o f t h e b r i d g e i n s u m me r ( 1 5 0 c l o c k ) b y me a n s o f t r a n s i e n t t h e r ma l a n a l y s i s ， t h e v a l u e o f wh i c h wa s c o mpa r e d wi t h t h e me a s u r e d t e mpe r a t u r e v a l u e S O a s t o g e t t h e s ui t a b l e s u mme r c o n c r e t e be a m b r i d g e t e mp e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n； fi na l l y， i t c a n b e s e e n t ha t t h e t e mp e r a t u r e g r a d i e n t i s r a t h e r r e a s o n a - b l e t h r o u g h c o mp a r i s o n be t we e n t h e d o me s t i c a n d f o r e i g n h i g h wa y c o d e Ke y w o r d s t e m p e r a t u r e fi e l d ； s o l a r r a d i a t i o n ；c o n c r e t e b o x g i r d e r 0 引言 工程建设中， 混凝土桥梁在施工建设和成桥后 ， 不可避免的受到气温变化的影 响， 进而使结构内部 产 生非均 匀温度 梯 度 ， 形 成温 差 应力 。经 调查 研 究表 明 ， 温 差引起 的应力 甚 至大于 活载产 生 的应 力 。 甚至导致混凝土产生裂缝 ， 给桥梁带来病害 。 目 前各 国规范虽然给出了箱梁截面高度的温度梯度模 式 ， 但由于各地 区的 日照辐射强度 ， 日出 13落时 间 ， 桥梁方位等因素各不相同， 因此使用同一温度梯 度规范显然是不合理的 。本文根据工程实例， 通 过有限元模拟计算 ， 对咸阳地 区混凝 土桥梁在夏季 最不利情况下的温度梯度问题进行了具体的分析。 1 温度场现场试 验 1 1工程 概 况 三水 河特 大桥桥 梁全 长 1 6 8 8 0 m， 跨 径组合 为 5 4 0+ 54 0 ( T梁 )+9 8+51 8 5 ( 连 续 冈 4 构 )+ 9 8+ 44 0 m( T梁 ) ， 主桥 上 部 为 9 8 m +5 x 1 8 5 m + 9 8 m预应力混凝土变截面连续刚构 ， 边中跨比为 0 5 3 0 ， 桥梁全宽 2 4 5 m， 采用变截面单箱单室直腹 板箱形断面组成 。其结构如图 1所示。 1 2试验 方案及 桥 址环境 本桥对两个截面进行 了温度应变计布置， 分别 为 1 2 墩中的 2 ( 截面 2 ) 和 6 块( 截面 1 ) 。由于沿 着箱梁 纵 向的温度分 布是 均匀 的 ， 故选 取 6 块 截 面进行 分析 ， 截 面 尺 寸及 应 变 计 布 置 见 图 2 。测 试 收稿日期 】2 0 1 5 0 5 1 1 【 作者简 介】陈凯旋 ( 1 9 9 0 一) ， 男 内蒙古丰镇人 ， 从事公路桥梁设 计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 陈凯旋 ， 等 ： 咸 阳地区夏季混凝 土刚构 桥温度梯 度分析 2 6 9 时间为 2 0 1 4年的 7月 7日零时至 7月 8 1 3 零时( 共 金 J MZ X一 2 5 6自动综合测试系统。 2 4 h ) ， 测试间隔时间为半小时。测试仪器采用长沙 图 1 三水河特大桥 主桥布 置( 单位： m ) F i g u r e 1 A r r a n g e me n t o f s a n s h u i r I V e r b r i d g e ( u n i t ： m) 图 2截面 1应变讦 布置图( 单位： e ra) F i g u r e 2 L a y o u t d r a w i n g o f s t r a i n g a u g e ( u n i t ：c m) 3 2 3 0 2 8 2 6 鑫 赠 2 2 2 O l 8 1 6 0 8： 0 0 1 2： 0 0 1 6： 0 o 2 0： 0 0 0 0： 0 0 0 4： 0 0 时间 ( 时 ： 分 ) 图 3 桥址环境温度 Fi g ur e 3 Th e e nv i r o n me n t a l t e mpe r a t u r e o f b r i dg e 当天桥址环境如下 ： 太阳辐射强 ， 风速 2 m s 。 大气温度变化范围为 1 6 3 0。箱梁 内空气 由于 处 于不 流通 状 态 ， 且无 日光 直 射 ， 温 度 较 稳 定 ， 变 化 范 围为 2 2 2 6 。箱梁 底 部温度 与 大气 温度 相近 ， 但 由于 混凝 Wi g度滞 后 性 ， 在 大气 温 度 未 达 最 高 温度时， 梁底温度低于大气温度 ； 超过最高温度时， 梁底 温 度则 高 于 大气 温 度 且下 降 缓 慢 。 见 图 3。 桥梁顶板混凝土表面温度在 1 4 ： 0 0到 l 5： 0 0达到当 天最高值。 2 有 限元模型 建立 2 1单值 性 条件 得出导热方程 需确定相应的箱梁单值条件： 箱梁尺寸 ； 箱梁物理条件 ； 箱梁边界条件 ； 初始温度 场条件。 大桥为东西走向， 太阳辐射时桥梁南北方 向 所受辐射量相同， 可认为箱梁两侧温度变化情况相 同。 夏季 中午 的辐射强度较大 ， 对混凝土箱梁的 温度场分布有较大的影响。相关资料表明咸阳地区 7月份的太阳总辐射强度为 1 6 2 8 2 k W h m ， 据 此可计算出每天的平均辐射量。根据文献 中的辐射 强度的时变函数 ， 计算 出每天的平均辐射量。并 按照我国现行 民用建筑热工设计规范 ， 可换算出太 阳辐射的每小时折算温度 t s ： ( 4 ) = 叶 C 其中： 为吸收率， 取 0 6 5 ； ， 为辐射的强度， W m ； c 为物体表面的换热系数 ， w ( m K) 。 假设梁段混凝土质地均匀， 无裂缝。主箱梁 采用 C 5 5混 凝 土 ， 骨 料 为 附 近采 石 场 取 得 的 碎 石 。 其它参数的选取如表 1所示 ： 表 1 计算参数表 Ta b l e 1 Ca l cu l a t i o n pa r ame t e r s 导热系数 1 吸收率 ( l , g k ， )g m ( J() ) 一( 换 热系数 ( w ( m )I 1 ) 顶板 底板 腹板 内表面 将 当天 0 6 ： O 0到 1 8 ： O 0时段 的太阳辐射值 按式( 4 ) 换算为温度值 ， 作为顶板的边界条件， 根据 实测 箱梁 表面 温度 ， 桥 址 温 度 和 以 往 的研 究成 果 中 的类似的数学模 型进行拟合 ， 得 出该 箱梁边腹 板 ， 底板和室内空气温度的变化情况 的边界条件 ： 顶 板气 温 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 0 公路工程 4 0卷 r 0 = 4 1 9 2 s i n ( 0 2 6 1 7 t +l 0 1 3 ) +2 9 , 9 1( 5 ) 腹板 温度 ： T l = 3 1 4 4 s i n ( 0 2 6 1 7 t 一2 6 4 2 )+ 2 7 4 7 ( 6 ) 底 板温度 ： = 2 6 7 9 s i n ( 0 2 6 1 7 t 一2 7 8 3 ) + 2 6 9 1( 7 ) 箱梁箱室内气温 ： =3 8 2 41 0一 t 一0 0 0 2 1 9 7 x + 0 03 9 1 8 一0 2 0 0 5 一0 0 9 9 2 8 + 2 6 1 7 ( 8 ) 式 中 ， t 为时 间 ， h 。 令 7月 7日早晨 0 6 ： 0 0的桥址温度为模型的初 始条件， 利用 A N S Y S稳态分析， 得出该桥梁截面初 始 的温度 场 。 2 2 A N S Y S模 型计算 建模采用 P L A N E 5 5平面单元， 单元划分的最 大尺寸为 0 0 5 m。其有限元模型如右图 4所示。 模 型分 析的时 段设 为 7月 7 日0 0： 0 0至 7月 8 日O 0 ： O 0 。分为 2 4个荷载步， 每个荷载步再进而分 成 1 0 0个荷载步， 施加边界条件 ， 进行稳态分析和瞬 态分析。得 出箱梁 2 4 h温度场变化。图 5为下午 l 5 ： 0 0时 的温度 云图 。 图 4混凝 土箱梁 的有 限元模型 Fi g u r e 4 Fi n i t e e l e me nt mo d e l o f c o n c r e t e 图 5 1 5点温度云 图 Fi gu r e 5 I ma g e s o f 3 P m t e mpe r a t u r e 3温 度 场 分 析 3 1 截 面理论计 算及 实测 温度 值 分析 由计算分析和实测数据 ( 表 2和图 6 ) 可得 ： 早 晨 0 6 ： 0 0箱梁整体温度为全天最低时刻， 另外 ， 7月 上旬咸阳旬 邑地 区 日出时 间为 0 6： O 0 。故上午 0 8 ： 0 0时， 经过两小时阳光辐射 ， 顶板表面温度升高 较快， 实测值达 2 5 5。中午至下午箱梁顶板受强 烈的阳光照射， 并且大气温度已升至较高值 ， 因混凝 土传热除了热辐射外 ， 很大的一部分是混凝土表面 与外界空气热对流换热 ， 导致箱梁表面具有较高 的 温度 。故这段时间混凝土箱梁温度较高。1 5： 0 0时 ( 图 5 ) ， 箱梁的温度达到一天 中的最高水平。顶板 应变计测试值为 2 7 7， 顶板表面的实测值达 3 6 。而该箱梁截面( 箱梁 内) 的梗腋部分 由于混凝 土传热的滞后性 ， 温度上升缓慢 。 悬挑板暴露在大气中， 该部分升温较快 。 表 2箱梁理论温度 与实测温度 Ta b l e 2 Bo x b e a m t h e o r y a nd me a s ur e t e mpe r a t u r e 注 ： 顶板温度实测值取 1 5 ： 0 0点时 i 一1 ， i 一1 3 ， i 一1 5 ， i 一1 7 测试平均值， 底板测试值取 i 一1 2 ， i 一1 4 ， i 一1 6 ， i 一2 1测试平均值 图 6箱 梁 理 论 温 度 与 实 测 温 度 图 Fi g u r e 6 Bo x b e am t h e o r y a n d me a s ur e t e mp e r a t u r e d i a g r a m 3 2箱梁 温度梯 度 的拟合 由于夏季 1 5 ： 0 0左右为全天最高温度 ， 箱梁的 截面的温差此时也达到全天最高。温差最高处为受 太 阳辐 射 的顶 板表 面 ， 最 低 处位 于腹 板 与 底板 的交 界处 。拟合 温度梯 度 选 用 l 5 ： 0 0产生 的温 度 梯 度。 从 A N S Y S中导出计算数据 ， 并 与实测数据对 比， 得 表 3 。经对顶 板 、 腹板 和底 板上 测 点 温度 值 分析 ； 对 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 陈凯旋 ， 等 ： 咸 阳地区夏季混凝土刚构桥温度梯 度分析 2 7 1 数据进行拟合 ， 得出箱梁截面的计算 与实 测温度分 布 图如下 ( 图 7 ) 。 表 3 1 5 ： 0 0时温度梯度表 Ta b l e 3 1 5： 0 0 s u r f a c e t e mp e r a t ur e g r a di e nt 0 0 5 l 1 5 键 瞽 隧 2 5 3 3 5 4 温度 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 O 3l 3 2 3 3 3 4 固 7 1 5： 0 0时 温 度 梯 度 分 布 图 Fi g ur e 7 Di s t r i b u t i o n o f t e mp e r a t ur e g r a di e nt i n 3 p m 由温度场理论计算与实测 数据的 比较 可 以看 出， 在距离顶板高度 0 3 m范围内温度下降较快 ， 下 降了 8 c I = ， 而箱梁腹板部分的温度随着箱梁高度 的 变化却很小 ， 这是因为混凝土较厚 ， 导热性较差 。 箱梁底板和顶 板的梗腋处 存在全桥最低 温也缘 于 此 ； 由实测值可得 ， 顶板与腹板 的最高温差为 1 1 ， 顶板与底板温度相差 7。另外 ， 经对实测数据 和理论数据的对 比可知， 在距离顶板 1 m之内， 计算 数据和实测数据吻合 良好 ， 而在腹板和底板部分 ， 实 测温度值 比理论值则低 0 51 0， 这些误差由于 对 流表 面换 热 系数和 混凝 土热 物理 性质 的选 取所 产 生 的误 差 导致 的 。 用最小二乘法原理对箱梁顶板沿着竖向的温度 梯度的值进行拟合 ， 其结果遵从指数函数 ： = e +c 。 ( 9 ) 式 中， 为最大温差 ， c 。为最低温度。 箱 梁 底 板 的 温 度 分 布 趋 势 呈 现 线 性 函 数 特 征 ， 而箱 梁 上部 的则 呈 指 数 分 布 特 征 ( 图 7 ) ， 通 过 MA T L A B软件对计算值进行拟合 ， 得 出咸阳地 区 的温度 梯 度公式 ： I T r = 9 4 6 e 一 + 2 6 6 8 ， ( 0 ) ， 1 ) = 一 0 4 8 Y + 2 7 1 8 ( 1 Y 3 4 ) l T r ： 6 3 1 2 Y + 3 1 1 ， ( 3 4 Y 4 ) 拟合而成的温度梯度如图 8所示。 ，7 R ，O n 1 d 温度 0 0 5 l 毫 褪 1 5 蔷z 匿 麟 2 5 3 3 5 4 布 ( 1 0 ) 图 8 1 5 ： 0 0时拟合温度梯度分图 Fi g u r e 8 Fi t t i ng t e mpe r at u r e gra d i e nt di a g r a m i n 3 p m 3 3得 出的结论与中外温度场分布对比 曲线拟合的结果表明， 在夏季阳光直射下 ， 本桥 从顶板向下的 0 3 m内温度变化为 8。对 比我 国 公路桥涵设计通用规范， 对于沥青混凝 土铺装层 厚度为 0 1 m的混凝土梁桥 。在 0 1 m内温差变化 为 8 5。新西兰规范在 0 2 8 m 内温度梯度变化 8 8 2。英 国 B S 5 4 0 0规范 中升温模 式 中 0 1 5 m 内变化为 1 0 5， 降温模式在 0 2 5 m 内变化 6 5 。与上述各国规范相比较 ， 本文计算所得的顶 板表面温差较小 ， 偏于安全 。另外， 实测和计算得到 的底板温度场与 国外规范较为符合， 而国内规范 尚 无此规 定 。 4 结论 本文根据陕西咸阳地区的三水河特大桥夏季施 工监控 ， 选 取箱梁截面并研 究其温度场分布规 律。 根据理论计算与实测数据 ， 得出以下结论。 根据理论计算与实测值分析得 出混凝土箱 梁 截面 温度 场分 布 规 律 ， 并据 此 模 拟 出箱 梁 截 面 的 温 度梯 度 ， 呈非线 性分 布 。 由于所测箱梁截面的高度较高 ， 故采用分段 函数表示 箱 梁截 面 的 温度 梯 度 ， 更 好 的模 拟 施 工 监 控 中箱梁真实的温度效应 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 2 公路工程 4 O卷 ( 上接第 2 6 7页) 体系更能准确的反映路面破损状况 ， 与路面实际状 况更 加接近 。 5 结论 本文通过调查江苏省干线公路的破损路况 ， 建 立了干线公路路面状况多级评价体系 】 ， 主要结 论 如下 ： 结合大量的现场调查数据， 在考虑 管理、 养护、 咨询三方意见的基础上 ， 引入典型 病害单项评价指标 ， 构建了 P C I 多级评价体系， 为合 理界定养护等级制定路面养护维修方案提供 了依 据， 实践表明， 该方法具有较强的针对性 ， 可为路面 养护决策提供参考依据。 本文选择路面病害较典型段落， 对研究成果 进行了应用 ， 按照 公路沥青路面养护技术规范 评 价， 该段处于小修范围， 而本文 P C I 多级评价指标以 养护等级评价结果最低值作 为该段养护级别， 建议 该段进行大修， 实际结果表明该段已经完成大修 ， 目 前道路状况 良好。事实表明本文研究成果可以较敏 感地 反 映路 段 的破损 状 况 ， 为 确定 路 段 养 护等 级 提 供参 考 。 参考文献】 1 时修云， 刘化学 刘 强高速公路 沥青路 面改造结 构利 用技术 标准研究 j 公路工程 ， 2 0 1 4 ， 3 9 ( 2 ) ： 1 2 71 3 1 2 张洪亮 ， 陈栓发 沥青路面大修结构组合研究 J 公路工程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 6 ) 3 廖 向阳， 资建君 旧沥青路 面修 复设计 方案 J 公路 工程 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 2 ) 4 丁武洋 ， 凌晨 ， 刘强 路面破损多级评价方法 的研究与应用探 讨 J 上海公路 ， 2 0 0 9 ( 3 ) ： 2 32 7 5 施建军 ， 于新 江苏省干线 公路水泥混 凝土路 面养护 质量评 价体系建立与研究 J 交通标 准化 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 7 47 7 6 J T G H 2 0 2 0 0 7 ， 公路技术状况评定标准 S 7 珊 0 7 3 22 0 0 1 ， 公路 沥青路面养护技术 规范 s 】 8 樊朝阳 论高速公路路 面大修 结构组合 设计 J 交 通标准 化 ， 2 0 1 1 ( 7 ) 9 刘敏 预防性养护探讨 J 中国公路 ， 2 0 0 8 ( 2 3 ) ： 9 4 9 5 1 0 李栓 ， 王 明明， 董江涛 微 表处 高速公路 预防性 养护 的 有效方法 J 交通标准化， 2 0 0 8 ( 3 ) ： 3 0 3 2 1 1 史俊 公路养护机械管理探析 J 交通世界， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 5 9 6 0 1 2 钱信伟 公路预 防性养护及 技术研 究 J 交 通世 界， 2 0 0 9 ( 7 ) ： 7 7 7 8 _ 1 3 邢 蓉 谈如何加强公路 的小 修保养 J 山西建 筑， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 2 5 9 2 6 0 1 4 任勇 山 区公路常见 的病害及养护方法 J 西部探矿工程 ， 2 0 0 9 ， 2 1 ( 2 ) ： 1 7 81 7 9 1 5 A P a v e me n t P r e s e r v a t i o n S t r a t e g y ， S t e p h e n F S h o b e r a n d Da v i d A F fie d fie h s ， W i s DOT 1 6 梅勇 应用时间序列对高速路面性能评价指标的预测研究 J 湖南交通科技， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 3一l 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m