混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的溫度監(jiān)測(cè)與分析

摘　要: 以觀音沙大橋?yàn)楸尘?通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算分析,尋求有普遍意義的溫度場(chǎng)分布規(guī)律和大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程中的溫度效應(yīng). 應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬,分析了太陽(yáng)輻射、風(fēng)速等邊界條件和導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等計(jì)算參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響,并提出了相應(yīng)的建議值. 模擬計(jì)算的溫度場(chǎng)與實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)吻合得較好,根據(jù)模擬的溫度場(chǎng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的應(yīng)力和撓度也與實(shí)測(cè)值相當(dāng)吻合,從而可以利用當(dāng)?shù)貧庀缶謱?shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)時(shí)模擬混凝土箱梁溫度場(chǎng)并進(jìn)行溫度場(chǎng)的溫度效應(yīng)分析.

關(guān)鍵詞: 溫度場(chǎng); 連續(xù)剛構(gòu)橋; 監(jiān)測(cè); 溫度場(chǎng)模擬; 溫度效應(yīng)分析

中圖分類(lèi)號(hào): U 448. 35; U 446. 2　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A

　　現(xiàn)有的橋梁規(guī)范只對(duì)一個(gè)地區(qū)最不利的溫度場(chǎng)做出了規(guī)定,而沒(méi)有提出鋼筋混凝土箱梁溫度場(chǎng)的變化規(guī)律[ 1 ] ,但事實(shí)上一年中絕大部分時(shí)間箱梁溫度場(chǎng)并不處于最不利狀態(tài),根據(jù)規(guī)范并不能處理需要考慮溫度場(chǎng)的時(shí)間歷程的情況. 大跨度橋梁的施工周期一般很長(zhǎng),經(jīng)歷季節(jié)的更替、寒暑易節(jié),溫度場(chǎng)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很復(fù)雜,研究溫度場(chǎng)的變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)非常必要[ 2 ] . 本文中以觀音沙大橋?yàn)楸尘?用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算分析的方法,尋求珠三角地區(qū)秋冬季節(jié)有普遍意義的溫度場(chǎng)分布規(guī)律和大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程中的溫度效應(yīng).

1　觀音沙大橋的溫度監(jiān)測(cè)

　　觀音沙大橋是京珠北線廣州(新洲)至番禺(坦尾)段高速公路上的一座大型橋梁. 主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),跨徑組合為65m + 2 ×120m +65m. 在觀音沙大橋的施工過(guò)程中,在順橋方向右幅3號(hào)T構(gòu)上布置了兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)斷面,共40 個(gè)測(cè)點(diǎn). 其中1#塊左右腹板沿梁高各布設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn), 6#塊左右腹板沿梁高各布設(shè)7個(gè)測(cè)點(diǎn). 混凝土內(nèi)部溫度采用鎳鉻- 鎳硅K型熱電偶測(cè)量,箱內(nèi)和箱外大氣溫度采用水銀溫度計(jì)測(cè)量[ 324 ] . 如圖1、2所示.

　　　為了減少測(cè)量誤差和處理數(shù)據(jù)的方便,取1#截

面的102、108和109號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均值,并記為A1 ;取104、105和106號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均值,并記為A2. 選擇晴天、突遇寒流的降溫天氣和寒流消退后的回暖天氣這3種典型天氣狀況下的箱梁溫度分布. 限于篇幅,測(cè)試結(jié)果只列出晴天溫度場(chǎng)的分布,見(jiàn)圖3～6.

2　溫度場(chǎng)仿真分析

2. 1　仿真分析的基本假定現(xiàn)作如下假定:

　　(1)不考慮鋼筋的存在對(duì)混凝土導(dǎo)熱性能的影響,假定混凝土材料為均質(zhì)的,且各向同性;

　　(2)假定混凝土材料各物理參數(shù)與溫度無(wú)關(guān);

　　(3)假定梁體具有相同的初始溫度[ 2 ] .

2. 2　溫度場(chǎng)模擬

　　應(yīng)用通用有限元程序ANSYS的熱分析功能模擬結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場(chǎng). 用ANSYS熱分析邊界條件中的對(duì)流模擬箱梁與空氣介質(zhì)的對(duì)流換熱,用熱分析中的點(diǎn)面輻射模擬箱梁與空氣介質(zhì)間的輻射換熱[ 2 ] ,太陽(yáng)直接輻射、散射輻射、地面反射輻射和地表輻射用ANSYS熱分析的面載荷模擬[ 5 ] ,計(jì)算模型如圖7所示.

　　本文中所用風(fēng)速和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度資料來(lái)自廣州市番禺區(qū)氣象局. 該氣象局在距離橋梁現(xiàn)場(chǎng)約3 km處有一座自動(dòng)采集站,用于記錄每分鐘的氣溫、風(fēng)速、濕度、可見(jiàn)度和云層高度等氣象信息. 值得指出的是,該采集站的風(fēng)速儀位于距離地面2m左右的位置,即記錄的風(fēng)速為地面以上2m左右高度的風(fēng)速值,而觀音沙大橋3號(hào)T構(gòu)的箱梁高程在20. 5～27. 2m之間,所以風(fēng)速應(yīng)按高度進(jìn)行修正[ 5 ] .

　　以晴天為例,把早晨6: 00實(shí)測(cè)的溫度分布作為初始溫度場(chǎng). 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度按氣象局實(shí)測(cè)的確定,箱外風(fēng)速按氣象局實(shí)測(cè)值放大4倍確定,箱內(nèi)風(fēng)速按1m / s確定, 其他的參數(shù)選取如下: 導(dǎo)熱系數(shù)取3. 5W / (m·K) ,比熱c取960 J / ( kg·K) ,密度ρ取2 400 kg/m3 ,吸收系數(shù)αb 取0. 65. 通過(guò)有限元程序ANSYS可以計(jì)算出箱梁的溫度分布情況,見(jiàn)圖8.

2. 3　計(jì)算參數(shù)的影響

　　溫度場(chǎng)模擬是基于熱傳導(dǎo)微分方程和相應(yīng)的定解條件的,其中熱傳導(dǎo)微分方程和定解條件的處理

包含一系列的參數(shù). 這些參數(shù)對(duì)溫度分布存在不同程度的影響[ 526 ] ,本文中定性地研究了不同計(jì)算參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響程度.

2. 3. 1　風(fēng)速

　　風(fēng)速對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響是通過(guò)對(duì)流換熱系數(shù)施加的. 不同的風(fēng)速對(duì)應(yīng)不同的對(duì)流換熱系數(shù),而不同的對(duì)流換熱系數(shù)用來(lái)模擬結(jié)構(gòu)物與外界不同程度的對(duì)流熱交換[ 7 ] . 為了分析不同風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)的影響,本文中作如下處理:考慮晴天的情況,輻射邊界條件按氣象局實(shí)測(cè)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度考慮,外表面的對(duì)流換熱系數(shù)用氣象局提供的風(fēng)速分別乘以放大系數(shù)2、3和4計(jì)算,其它參數(shù)不變. 結(jié)果如圖9所示.

　　從圖9比較2倍風(fēng)速與4倍風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果可知,在同一時(shí)刻,溫度最大相差10 K以上. 這說(shuō)明風(fēng)速對(duì)溫度場(chǎng)影響很大,在溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算中,風(fēng)速的準(zhǔn)確與否是決定模擬精度的因素之一.

2. 3. 2　導(dǎo)熱系數(shù)

　　導(dǎo)熱系數(shù)越大,表明熱傳導(dǎo)性能越好,溫度達(dá)到平衡的時(shí)間就越短. 現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料[ 527 ]關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)的取值存在較大的差異,而且這個(gè)系數(shù)不易確定,本文中通過(guò)取不同的值來(lái)討論導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響. 箱外風(fēng)速按放大4倍確定,除導(dǎo)熱系數(shù)外,其

它參數(shù)不變. 結(jié)果見(jiàn)圖10.

　　由圖10可知,導(dǎo)熱系數(shù)越小,各點(diǎn)的溫度峰值越大,而極小值越小. 這說(shuō)明導(dǎo)熱系數(shù)越小,混凝

土材料的溫度分布越不均勻,即溫度梯度的非線性越明顯,從而導(dǎo)致更大的溫度應(yīng)力. 由圖中曲線可知, 取3. 5W·(m ·K) - 1時(shí)計(jì)算結(jié)果跟實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近,表明對(duì)于珠三角地區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)取不小于3. 5W·(m·K) - 1的值較為合適.

2. 3. 3　比熱

　　現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料[ 728 ]關(guān)于混凝土比熱的取值也存在較大的差異,且這個(gè)參數(shù)不易測(cè)定,本文中通過(guò)計(jì)算討論比熱的合理取值范圍. 計(jì)算參數(shù)的確定除了比熱外,其它參數(shù)不變.

　　由圖11 可知,比熱c 分別取900、960、1 000J / ( kg·K)時(shí),計(jì)算結(jié)果沒(méi)有明顯差異. 這表明對(duì)于珠三角地區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋,混凝土比熱在900～1 000 J / ( kg·K)之間取值都是合理的.

3　溫度效應(yīng)分析

　　采用ANSYS的熱分析功能模擬結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場(chǎng),然后將結(jié)構(gòu)計(jì)算和實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比.

3. 1　應(yīng)力實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較

　　除溫度外,影響應(yīng)力的因素較多,具體有待進(jìn)一步研究[ 5, 8 ] . 另外,溫度變化影響應(yīng)力的變化需要時(shí)間過(guò)程,實(shí)測(cè)值要比計(jì)算值滯后. 假定不明確的因素對(duì)上下緣縱向應(yīng)力的影響程度相當(dāng)[ 9 ] ,采用頂板和底板上下緣應(yīng)力差來(lái)進(jìn)行對(duì)比較為合理,結(jié)果如圖12所示.

3. 2　撓度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的比較

　　橋梁施工到15#塊時(shí), 15#和14#梁段前端的溫度撓度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較如圖13所示,撓度以向下為正.

　　由圖13可以得到,溫度引起的撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值有相似的變化規(guī)律,但是,實(shí)測(cè)值要比計(jì)算值滯后. 造成實(shí)測(cè)撓度比計(jì)算撓度偏差大的原因是實(shí)測(cè)撓度包含了墩梁固結(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的主梁附加撓度,而計(jì)算模型沒(méi)有考慮這部分撓度. 天氣晴朗的上午,在太陽(yáng)輻射的影響下,墩梁固結(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)使主梁產(chǎn)生向上的附加撓度,負(fù)的附加撓度和主梁的彎曲變形疊加導(dǎo)致了上午的實(shí)測(cè)撓度比計(jì)算撓度小;隨著太陽(yáng)高度角的變化,主梁的附加撓度由向上變?yōu)橄蛳?附加撓度和主梁自身的彎曲變形疊加使梁端在下午的實(shí)測(cè)撓度比計(jì)算撓度大. 可見(jiàn),由于主梁附加撓度的存在使得上午的實(shí)測(cè)撓度比計(jì)算撓度小,下午的實(shí)測(cè)撓度比計(jì)算撓度大. 因此,在溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中必須把柔性墩考慮進(jìn)去. 在施工監(jiān)控時(shí),對(duì)不同溫度場(chǎng)下的立模標(biāo)高的確定,除根據(jù)計(jì)算的結(jié)果外,還需考慮溫度效應(yīng)的滯后. 橋梁成橋、鋪完橋面鋪裝后,還需考慮橋面鋪裝對(duì)箱梁溫度場(chǎng)的影響[ 10 ] .

4　結(jié)論

　　本文中介紹了一種基于當(dāng)?shù)貧庀缶謱?shí)測(cè)的氣象數(shù)據(jù)模擬混凝土箱梁溫度場(chǎng)的方法,并分析了部分參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響. 通過(guò)本文中的分析有如下結(jié)論: (1)當(dāng)混凝土的材料參數(shù)確定之后,根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶值臍庀筚Y料就可以模擬出較高精度混凝土箱梁溫度場(chǎng),這對(duì)于減少溫度的監(jiān)測(cè)工作,完善混凝土箱梁的設(shè)計(jì)理論具有重要的意義; ( 2)風(fēng)速對(duì)混凝土箱梁溫度場(chǎng)影響很大,風(fēng)速應(yīng)按高度進(jìn)行修正. 如何確定風(fēng)速沿高度的分布有待進(jìn)一步研究. 對(duì)于珠三角地區(qū)的混凝土箱型梁橋,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)取值以不小于3. 5W / (m·K)較為合適. 混凝土比熱在900～1 000 J / ( kg·K)之間取值都是合理的; (3)溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的應(yīng)力和撓度均有較大的影響,在橋梁設(shè)計(jì)和施工以及施工監(jiān)控中均應(yīng)考慮溫度的影響并采取相應(yīng)的對(duì)策. 在施工監(jiān)控時(shí),對(duì)不同溫度場(chǎng)下的立模標(biāo)高的確定,除根據(jù)計(jì)算的結(jié)果外,還需考慮溫度效應(yīng)的滯后.

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