空心薄壁高墩的溫度效應模擬分析

劉 雄， 周海波， 吳 檢， 何 李

(湖南聯智橋隧技術有限公司, 湖南 長沙 410199)

空心薄壁高墩的溫度效應模擬分析

劉 雄， 周海波， 吳 檢， 何 李

(湖南聯智橋隧技術有限公司, 湖南 長沙 410199)

通過置入式混凝土溫度傳感器實測空心薄壁高墩內外的溫度,對現場得到的溫度數據進行統計分析,獲取最不利的溫度分布。采用ANSYS軟件,用最不利溫度對薄壁墩溫度效應進行有限元模擬分析,了解溫度場的分布,以及陽光輻射產生的溫度應力和變形,從而為空心薄壁高墩的施工和線形控制提供參考。

高墩; 空心薄壁; 溫度效應; 溫度應力; 模擬分析

隨著我國交通建設的高速發展,公路以及鐵路向山區延伸,許多山區地表高差懸殊,形成大峽谷,在修建公路時,容易出現較高墩身橋梁。出于施工技術難度和經濟指標的考慮,懸索橋和斜拉橋顯得不經濟,而高橋墩(橋墩高大于50 m)是一個不錯的選擇[1,2]

為滿足高墩橋梁順橋向的抗推剛度小的要求,高橋墩必須高而柔;又考慮結構受力和承載能力,墩身采用變截面[3]?；谝陨弦?大跨度高墩橋梁墩身截面多采用空心薄壁橋墩。龍永高速所處地段為中亞熱帶山地濕潤氣候,四季分明,雨量充沛,溫暖濕潤,但是因為周邊地勢導致垂直溫度差異懸殊,具有明顯的立體氣候,小氣候效應非常顯著。薄壁高墩大跨度結構對外界溫度比較敏感,當空心薄壁墩身內外溫差較大時,產生較大的溫度應力和變形,對結構的穩定性和橋梁線性控制不利[1，4-8]。

現有文獻表明[3，9-12],在空心薄壁高墩結構中, 由于陽光輻射溫度效應所產生的溫度應力,在某些情況下與恒載、活載產生的應力在同一個數量級,甚至使混凝土結構發生開裂, 導致橋梁結構損壞, 影響正常運營。

因此為確保橋梁結構的安全穩定,對空心薄壁高墩結構的溫度效應進行研究,分析結構的溫度應力和溫度導致的變形,對指導施工控制具有非常重要的意義。

1 工程概況

龍山至永順高速公路鄭家寨大橋及苗新大橋分別位于湖南省龍山縣紅巖溪鎮卜納洞村及苗興村,分別跨河流及溪溝,溝谷兩側山坡較陡,兩岸山頂與溝谷底部高差達245 m。年平均氣溫16.5 ℃,最高氣溫達35 ℃。鄭家寨大橋及苗新大橋橋長分別為706.16 m、286.24 m(以左右幅平均值計)。上部結構為裝配式預應力混凝土連續T梁,采用先簡支后連續。鄭家寨大橋左右線分別為5聯18跨，5聯17跨,具體布置為4×40 m+3×40 m+3×40 m+3×40 m+5×40 m，4×40 m+3×40 m+3×40 m+3×40 m+4×40 m;苗新大橋左右線分別為1聯6跨，1聯8跨。下部結構為空心薄壁墩和柱式墩、樁基礎。

鄭家寨大橋、苗新大橋共有空心薄壁墩23個,其中等截面空心薄壁墩11個,變截面薄壁空心墩12個,高度在42.11～93.67 m之間，等截面薄壁空心墩截面尺寸有3 m×5 m、3.2 m×5.5 m兩種,對應橋墩壁厚分別為50 cm、60 cm,其中順橋向寬為3 m(3.2 m),橫橋向寬5 m(5.5 m)。變截面薄壁空心墩墩頂截面尺寸為2.7 m×5 m,墩身薄以1∶100坡度向下擴大,墩身壁厚為60 cm。

2 溫度場測試方案

為了獲取空心薄壁高墩最不利的溫度場分布,根據當地的氣候特征,在墩身沿壁厚方向和墩高方向布置溫度傳感器,通過觀測點的數據來了解空心薄壁高墩的溫度場分布情況。

溫度傳感器采用JMT — 3B型半導體元件,靈敏度為0.1 ℃,誤差控制在0.5 ℃。因為墩身截面為對稱結構,選取1/4截面分析即可。每個截面布置12個溫度傳感器,墩身內部4個傳感器等間距布置?；炷羶鹊膫鞲衅?預先貼在鋼筋上,將導線引到模板外面,做好保護措施后再灌注混凝土,具體布置情況如圖1所示。

圖1 沿壁厚方向溫度傳感器布置圖

3 不同施工階段的溫度分布測試數據分析

由于所處地方垂直溫度差異懸殊,立體氣候明顯,空心薄壁高墩在施工過程中不同施工時刻,墩身結構與外界的接觸面積不同,導致溫度場分布也不同,因此,本文以90 m空心薄壁高墩為例。

3.1 沿墩厚方向的溫度分布

對墩高30 m位置截面溫度分布測試結果如下:

當墩身施工到50 m時,空心薄壁墩內外的溫度變化趨勢相同,內外溫差變化不大,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點的24 h溫度變化如圖2所示。

圖2 墩身施工到50 m時,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點的溫度變化

當墩身施工到90 m未封頂時,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點的24 h溫度變化如圖3所示。從圖2、圖3中可知,空心薄壁墩內外的溫度差相比施工到50 m的位置略有區別,溫度差在3～5 ℃范圍內。在圖3中,在12:30之后,墩身表面h-1、s-1測點的溫度開始下降,而墩身內表面測點h-6、s-6溫度還在上升,在15:00時刻溫度到達峰值,這是由于混凝土的導熱性能較差,對溫度的傳導有滯后作用,因此墩身內部的溫度比外表面較遲到達峰值。

圖3 墩身施工到90 m未封頂時,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點的溫度變化

當墩身施工到90 m封頂時,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點的24 h溫度變化如圖4所示。從圖4可看出,空心薄壁墩內外的溫度差別就比較明顯了,在12:30時刻,溫差最大,最大差值達到10 ℃左右。

圖4 封頂后,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點的溫度變化

圖4中溫差很大主要跟墩身內外空氣對流有很大關系,在墩身封頂之后,與圖3施工時刻相比,墩身內外空氣接觸面減少,溫度沿墩身傳遞速率比較慢,因此,墩身內外溫差比封頂前其他施工時刻都要大。

通過圖2～圖4的溫度傳感器測到的數據變化曲線可知,空心薄壁墩內外的溫差在墩身封頂之后最大,對墩身產生最不利的溫度效應也發生在封頂之后,因此,分析封頂之后的溫度效應即為橋墩所考慮的最不利溫度荷載。已有研究表明受陽面溫度高于背陽面,而圖2～圖4中橋墩橫橋向布置的測點h組溫度和順橋向布置的s組相同位置溫度差基本在1～2 ℃范圍內,沒有明顯的溫度差異,這主要是因為地處峽谷,空氣對流比較強,使得背陽面和受陽面墩身表面溫度基本相同,同一截面墩身表面四周溫度分布均勻。

3.2 沿墩高方向的溫度分布

由于氣流的影響,混凝土空心薄壁高墩無論是白天受到太陽的輻射升溫,或者夜間地面的反輻射降溫,沿墩高方向溫度分布比較均勻,只有墩身端部有很小的范圍內溫度有變化。通過實測數據得到的曲線圖(圖5)很好地驗證了這個觀點。墩高10 m處的溫度時變曲線圖與墩高90 m處的溫度時變曲線圖變化趨勢一致,數據接近,說明沿墩高方向的溫度分布比較均勻的,陽光輻射對墩身的溫度效應基本穩定。

由于地處峽谷,墩身高處截面比低處截面先受到陽光的輻射,導致10 m處的溫度與90 m處溫度相比略微滯后,但是其差值不大,完全可以忽略。因此,只要每個截面沿墩厚方向溫度分布基本相同,那么最不利溫度效應也就基本保持一致。

圖5 墩高10 m處、墩高90 m處h-1、h-6、s-1、s-6這4個測點溫度時變圖

4 溫度效應有限元模擬分析

ANSYS 軟件集結構、熱、流體分析等大型有限元軟件,因其強大的功能在各領域得到廣泛應用。因此,空心薄壁墩的溫度效應可通過ANSYS的熱分析功能實現,并且ANSYS可以處理線性和非線性的熱傳遞問題[1，2，4-8，13-15]。因為空心薄壁高墩截面形狀是矩形,因此,選用四邊形單元劃分網格,四邊形采用 PLANE7單元,網格大小0.2,建立有限元模型,如圖6所示。

圖6 空心薄壁墩有限元模型

由于空心薄壁高墩截面沿墩高方向是變截面的,因此,沿墩高方向選盡可能多的截面做熱分析,然后將溫度場等效為溫度荷載施加在結構上,最大限度的真實反映空心薄壁高墩的溫度效應。本文用ANSYS軟件對薄壁墩墩高10 m處和墩高80 m處進行升溫溫度場模擬分析,限于篇幅,僅列出80 m處截面3個不同時刻的溫度云圖以及溫度應力圖。如圖7、圖8。

a) 早晨08：00

b) 上午12：30c) 下午16：00

根據獲取的最不利溫度梯度,在ANSYS軟件中通過熱-結構耦合功能,將溫度場單元PLANE77轉化為結構場單元PLANE82,同時截面上的溫度信息通過材料號轉換過來,將帶有溫度信息的截面定義為BEAM189單元的截面,從而可以計算空心薄壁高墩的陽光輻射作用下溫度效應。根據最不利溫度分布計算的溫度應力計算結果見圖8所示。由計算圖7的溫度云圖可看出,溫度沿壁厚方向的分布是非線性的,在中午時刻,溫度梯度最大。圖8中的溫度應力沿壁厚方向的分布也是非線性的,最大溫差產生的拉應力達到5.2 MPa左右。

空心薄壁墩截面面積小剛度大,但是因為壁薄,對外界應力的抵抗能力較差。圖8應力云圖計算結果表明陽光輻射引起的溫度應力較大,若應力集中在某一截面附近,會導致墩身開裂。溫度應力還會導致結構產生不均勻變形,雖然在局部范圍內變形很小,但是對于薄壁高墩來說,沿著墩高方向的累積,會造成墩頂產生偏移、橋梁軸線偏位,影響橋梁結構的穩定性和線形控制,因此,墩身內外溫差產生的應力和變形不可忽略,在設計與計算時須考慮溫度效應的影響。

在日出前,墩身內外溫差很小,溫度分布均勻,溫度應力和變形很小,可以忽略結構的溫度效應。目前在施工過程中為了規避薄壁空心墩的溫度效應,采用的是在日出前進行掛籃的立模標高和預應力張拉,雖然這一方法取得良好的效果,但是這會導致施工過程不連續,延誤施工進度,因此,對空心薄壁高墩在施工過程中的溫度效應進行模擬分析顯得很重要。通過模擬溫度分布,計算出溫差應力和變形,在施工過程中,可以對控制點按計算變形產生的位移進行預先偏置,當墩身內外溫度均勻分布時,控制點在均勻溫度場會回到設計位置。

空心薄壁高墩產生溫度應力和變形是由于陽光輻射作用導致墩身內外溫差很大。為了改善墩身的受力性能,調節墩身內外的溫差,降低結構溫度載帶來的不利影響,可以在墩身設計通氣孔,使墩身內外空氣對流,降低溫差。

5 結論

通過現場溫度傳感器的實測數據和ANSYS軟件有限元模擬分析,對空心薄壁高墩的溫度效應進行了研究,得到如下結論:

1) 現場實測數據表明,空心薄壁高墩無論是白天或者夜間,沿墩高方向溫度分布比較均勻;沿壁厚方向溫度分布呈非線性變化,在近中午時刻溫差最大,可達到10 ℃左右。

2) 空心薄壁高墩在陽光輻射作用下,會產生較大的溫度應力,在墩頂產生較大的位移。在設計階段,應該合理地設置通氣孔和布置鋼筋,盡可能地減少因為溫度場產生的溫度應力和變形對墩身結構的破壞。

3) 利用ANSYS軟件強大的熱分析功能,模擬薄壁墩的溫度效應,溫度分布與實測結果對比,變化趨勢一致,吻合比較好,誤差可以忽略不計,表明利用ANSYS模擬溫度場的可靠性較好。

[1] 何義斌. 混凝土空心高墩溫度效應研究[J].鐵道科學與工程學報, 2007,4 (2) : 63- 66.

[2] 董時全. 日照引起的砼空心高墩溫度應力狀態分析[J].交通標準化,2012(14):155-157.

[3] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4] 周妞妞, 張運波.薄壁空心高墩溫度效應仿真分析[J].石家莊鐵道大學學報( 自然科學版), 2013，26(4):27-31.

[5] 張運波.薄壁空心高墩的溫度效應及其對穩定性影響的研究[D]. 北京:中國鐵道科學研究院,2011.

[6] 曹少輝,習 勇,田仲初.薄壁空心高墩的溫度場測試及數值分析[J].中南林業科技大學學報,2010，30(12):194-198.

[7] 蔡建鋼. 高墩大跨連續剛構橋的溫度效應研究[D]. 西安: 長安大學, 2005.

[8] 王效通. 預應力混凝土箱梁溫度場計算的有限元法[J] .西南交通大學學報, 1985, 20(3):31- 35.

[9] 劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[10] 蔣國富.大跨徑橋梁高墩日照溫度效應的研究[D].西安: 長安大學,2005.

[11] Hunt B, Cooke N. Thermal calculations for bridge design[J].Journal of the Structural Division, 1975(2):16-19.

[12] Hambly E C. Temperature distributions and stresses in concrete bridge[J].The Structure Enginneer, 1978(2):28-32.

[13] 彭友松,強士中,李松.圓形空心墩日照溫度效應分析[J].橋梁建設,2006(4):74-77.

[14] 朱四榮,李卓球,宋顯輝.日光直射下混凝土梁的力學響應[J].華中科技大學學報(自然科學版),2005,33(4): 93-96.

[15] 張元海,李喬.橋梁結構日照溫差二次力及溫度應力計算方法研究[J].中國公路學報,2004,17(1):49-52.

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