四肢桁架鋼管拱肋吊裝時溫度變形及應(yīng)力分析

郭春華 朱忠義 黃紅兵

0 引言

鋼管混凝土拱肋是由外包鋼管和內(nèi)部核心混凝土這兩種傳熱性能和力學(xué)性能都相差很大的材料組成,因此其溫度效應(yīng)問題與普通鋼橋梁和普通混凝土橋梁比較有很大的差別[1-6]。為了更好地研究鋼管混凝土拱肋溫度效應(yīng),對純粹鋼管即鋼管拱肋吊裝階段的溫度效應(yīng)進(jìn)行分析,同時其研究可為鋼管混凝土拱肋的施工提供參考。

本文以ANSYS通用有限元軟件建立四肢桁架鋼管拱肋吊裝階段溫度變形及應(yīng)力分析計算模型,計算空鋼管吊裝節(jié)段的溫度場、溫度位移、溫度應(yīng)力,并與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,掌握其變化規(guī)律并為空鋼管混凝土吊裝的線形控制提供依據(jù),提高拱肋安裝精度。

1 計算模型

以ANSYS通用有限元軟件建立計算模型,拱腳按固結(jié)考慮,拱肋上、下啞鈴和腹桿都用梁單元模擬,桿件之間的連接全按固結(jié)計算。計算時只考慮溫度作用,不考慮其他荷載。拱肋計算模型如圖1,圖2所示。

計算時溫度作用取兩種工況。工況1:均勻升溫20℃;工況2:均勻升溫+考慮拱肋截面的非線性溫度場。

通過有限元仿真計算,當(dāng)拱肋整體均勻升溫20℃時,拱肋豎向位移計算拱頂位移最大,上升48.7mm,拱肋應(yīng)力較小。

在日照作用下,拱肋斷面的溫度分布非常復(fù)雜,拱肋梯度溫差包括兩層含義:其一是上啞鈴與下啞鈴的溫度之差,在晴天日照情況下,上拱肋直接受日照作用,其平均溫度要比下啞鈴高出很多;另外一層含義是上啞鈴本身截面內(nèi)的非線性溫度分布,一般來說這種情況對拱肋整體變形影響較小,但對拱肋局部受力有一定影響。

通過鋼管日照溫度場的有限元分析,計算南半拱(南拱腳、1/4L),拱頂及北半拱(3/4L、北拱腳)溫度位移情況。拱肋合龍溫度按20℃計。限于篇幅,僅給出某典型晴天下午15:30分,大氣溫度為26.4℃,風(fēng)速為3級時,拱頂和北拱腳的溫度場計算結(jié)果,如圖3,圖4所示。

在大氣溫度溫差為20℃時,考慮拱肋截面的非線性溫度場時,拱肋豎向位移計算結(jié)果拱頂位移最大,上升 48.8mm,與工況1幾乎沒有差別,說明拱肋溫度位移主要受整體平均升降溫幅度影響。拱肋應(yīng)力與工況1比較,拱肋中應(yīng)力明顯要大,說明啞鈴管中的溫度差會在拱肋中引起較大的溫度次應(yīng)力。

2 現(xiàn)場試驗

連續(xù)觀察典型環(huán)境下對鋼管構(gòu)件截面的溫度變化情況,同時進(jìn)行風(fēng)速、氣溫和拱肋變形觀測,觀測間隔與溫度場測試間隔相同,同步進(jìn)行。實際橋梁鋼管表面采用表面溫度計(點溫計)測試,鋼管表面溫度測點布置如圖5所示。

通過在晴天情況下連續(xù)觀察可知:1)日照下拱肋整體溫度高于大氣溫度,大氣溫度達(dá)到20℃以上時,Z1等直接受日照作用測點往往高于大氣溫度10℃以上,L5等背陽測點基本保持與大氣溫度一致;2)上拱肋平均溫度要比下啞鈴高,同時鋼管桁架本身截面內(nèi)存在較大的非線性溫度分布,測點間最大溫差同樣在10℃以上;3)夜間拱肋整體溫度可低于大氣溫度,拱肋整體溫度可低于大氣溫度2℃以上,但鋼管桁架非線性溫度分布不明顯。

故在通過有限元分析鋼管拱肋吊裝階段的溫度效應(yīng)時,晴朗工況下最高溫度取值應(yīng)高于大氣最高溫度10℃～15℃,濕冷工況下最低溫度取值應(yīng)低于大氣最低溫度1℃～2℃。通過在此取值下鋼管拱肋吊裝階段的撓度和應(yīng)力計算結(jié)果,與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較較為吻合。

3 結(jié)語

空鋼管拱肋安裝后,在受到日照和氣溫等影響而引起的鋼管拱肋溫度變化,會使其產(chǎn)生較明顯的溫度位移。拱肋豎向溫度位移主要取決于整體升降溫幅度,溫度梯度對拱肋位移影響較小。整體升降溫引起溫度次應(yīng)力較小,但溫度梯度(上下管溫差)可引起較大的次應(yīng)力。

計算鋼管拱肋吊裝階段的撓度和應(yīng)力時,晴朗工況下最高溫度取值應(yīng)高于大氣最高溫度10℃～15℃,濕冷工況下最低溫度取值應(yīng)低于大氣最低溫度1℃～2℃。

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