鋼-混凝土雙面組合箱梁日照溫度效應(yīng)研究

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(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；3.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

在自然環(huán)境中，組合梁受到不同外界因素的影響。在日照作用下，梁體溫度分布不均勻，并且由于有外部約束存在，其內(nèi)部會有相應(yīng)的溫度應(yīng)力產(chǎn)生。這些溫度產(chǎn)生的應(yīng)力在某些條件下甚至超過了荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，與此同時(shí)產(chǎn)生的溫度變形可能導(dǎo)致混凝土開裂等一系列后果，對梁體造成嚴(yán)重的危害，所以對組合梁溫度效應(yīng)的研究是非常必要的。

雖然國內(nèi)外對普通組合箱梁的溫度場和溫度效應(yīng)的研究取得了一定進(jìn)展[1-3]，但關(guān)于鋼-混凝土雙面組合梁[4-5]溫度場和溫度效應(yīng)的研究文獻(xiàn)卻甚為罕見[6-7]。

如果溫度梯度為非線性變化，那么截面的變形不能滿足平截面假定，不論結(jié)構(gòu)靜定與否，都會有溫度自應(yīng)力的產(chǎn)生；在超靜定結(jié)構(gòu)中，由于有多余約束的作用，阻止了熱脹冷縮產(chǎn)生的溫度變形，會產(chǎn)生溫度次內(nèi)力。

本文根據(jù)文獻(xiàn)[6]所得鋼-混凝土雙面組合箱梁在日照條件下正負(fù)彎矩區(qū)截面的溫度分布，應(yīng)用有限元軟件ANSYS分別對正負(fù)彎矩區(qū)不同位置施加不同的溫度荷載進(jìn)行溫度效應(yīng)計(jì)算。采用間接耦合解法，即對于熱—結(jié)構(gòu)耦合場的運(yùn)算，先進(jìn)行溫度場的計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)溫度場，在ANSYS中得到rth文件，再將溫度場作為體力代入到模型中計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場。這種方法需要在運(yùn)算過程中進(jìn)行單元的轉(zhuǎn)換，但對單元的要求有所降低。在溫度場計(jì)算時(shí)，單元只需溫度自由度，在結(jié)構(gòu)場計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元。其方法與直接耦合解法相比，各個(gè)點(diǎn)的矩陣方程減小了，運(yùn)算僅為單場運(yùn)算，計(jì)算快捷，在研究和實(shí)際工程計(jì)算中運(yùn)用較為廣泛。

1 有限元模型建立

圖1 模型的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

本文模型與文獻(xiàn)[6]相同，為一座三跨鋼—混凝土雙面組合連續(xù)箱梁橋，跨度為45 m+60 m+45 m，位于經(jīng)度112.5°，緯度28.3°，梁體徑向?yàn)檎媳狈较颍?月21日當(dāng)天溫度為25～43.6 ℃。經(jīng)初步計(jì)算負(fù)彎矩區(qū)長度為25 m，邊跨負(fù)彎矩區(qū)長度13 m，中跨負(fù)彎矩區(qū)長度12 m。選取整個(gè)梁體的一半進(jìn)行分析，模型結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如圖1所示。

采用C50混凝土，彈性模量Ec=3.078×104MPa，泊松比為υ=0.2，本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬?；炷另敯迮c底板均采用雙層配筋，配筋率為0.89%。鋼筋采用HR335鋼筋，其屈服強(qiáng)度fy=335 MPa，Er=2.1×105MPa，泊松比υ=0.3。

鋼梁采用Q345鋼，屈服強(qiáng)度fy=345 MPa，彈性模量Es=2.06×105MPa，泊松比υ=0.3，本構(gòu)關(guān)系采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO模擬。

在計(jì)算溫度場時(shí)，混凝土和鋼梁均采用SOLID70單元；在結(jié)構(gòu)分析時(shí)，轉(zhuǎn)化為SOLID65。

本模型中混凝土板與鋼梁采用栓釘連接，栓釘直徑為Φ22，每個(gè)鋼翼板橫向設(shè)置8個(gè)栓釘，栓釘縱向間隔約為300 mm。

采用Ollgaard提出的連接件剪力-滑移曲線的模型，其公式為

V=Vu(1-e-ns1)m

(1)

式中，Vu為栓釘?shù)臉O限承載力;S1為栓釘變形量;m,n為模型參數(shù)，本文分別采取m=0.4,n=0.702。

在溫度場計(jì)算時(shí)，忽略剪力件的熱傳導(dǎo)影響。不同材料之間的熱傳遞采用建立熱耦合的方法來實(shí)現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，剪力件選用非線性彈簧單元COMBIN39進(jìn)行模擬。該單元可以進(jìn)行軸向和扭轉(zhuǎn)的選擇，具有大位移功能。單元本身沒有質(zhì)量和熱容量的存在。

圖2 雙面組合連續(xù)箱梁有限元模型

根據(jù)箱梁的幾何尺寸，建立ANSYS實(shí)體計(jì)算模型。雙面組合連續(xù)箱梁有限元模型如圖2所示，橫截面如圖3所示。本文采用三維六面體映射網(wǎng)格劃分的方法，截面網(wǎng)格劃分基本與二維模型相同，縱向單元長度約為0.3 m。模型單元總數(shù)為38 812個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為66 823個(gè)。

圖3 雙面組合連續(xù)箱梁橫截面有限元模型

對實(shí)體模型的加載與文獻(xiàn)[6]平面模型外界環(huán)境相同。在三維模型計(jì)算中為了減少單元數(shù)，減少運(yùn)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，并模擬實(shí)際監(jiān)測情況，對正、負(fù)彎矩區(qū)二維平面模型箱內(nèi)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，作為三維模型箱內(nèi)的熱源進(jìn)行加載。

三跨連續(xù)組合箱梁中跨跨中施加對稱約束，其他支座處施加豎向約束。雖然沒有橫向力的作用(橫向的變形是對稱的)，但是由于實(shí)體模型在ANSYS10.0的計(jì)算中可能會出現(xiàn)很大的橫向剛體位移，甚至計(jì)算將會由于位移太大而不收斂，所以有必要在支座處增加橫向約束。

三維模型采用瞬態(tài)法加載。加載方式采用斜坡荷載。每個(gè)荷載步的長度為1 h。在溫度場計(jì)算時(shí)，每個(gè)荷載步分為120個(gè)荷載子步。在結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，每個(gè)荷載步分為12個(gè)荷載子步。

2 日照條件下溫度效應(yīng)分析

2.1 溫度變形分析

通過對三維有限元模型的計(jì)算，得到了從6:00至18:00之間組合梁各節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不均勻溫度場會對組合梁產(chǎn)生很大影響。重點(diǎn)討論箱梁邊跨跨中、中跨跨中及中支座處混凝土板與鋼底板溫度變形和溫度應(yīng)力的時(shí)程反應(yīng)。

因?yàn)楹雎粤艘砭壈鍖︿摳拱宓恼趽踝饔?，所以對模型橫向的溫度加載是對稱的，模型x軸方向的變形也是對稱的。模型在15:00混凝土翼緣板兩邊緣達(dá)到最大橫向位移0.75 mm。

模型在中跨跨中處設(shè)置了對稱約束，在支座處并未設(shè)置z方向(縱向)的約束，所以中跨跨中處縱向位移為零。在16:00外支座處最大縱向位移達(dá)到1.24 cm。組合梁自上而下位移量有明顯的減小。負(fù)彎矩區(qū)的混凝土底板與鋼腹板的變形量要明顯小于正彎矩區(qū)?；炷另敯逶诳v向不斷伸長，但由于溫度梯度原因，混凝土板上下兩側(cè)的伸長量不同，導(dǎo)致自身發(fā)生彎曲變形，同時(shí)這種作用也發(fā)生在鋼腹板上。負(fù)彎矩區(qū)混凝土底板由上到下溫度遞增，其自由變形應(yīng)該是下邊緣伸長量大于上邊緣，對組合梁整體的彎曲變形起到抑制作用。

豎向位移的研究對鋼-混凝土雙面連續(xù)組合梁的起拱度、撓度有重要意義。圖4與圖5分別描述了組合梁邊跨跨中與中跨跨中的混凝土頂板與鋼底板撓度的時(shí)間歷程。由圖4、圖5可知，撓度均隨溫度上升而逐漸增大，至最大值后再逐漸減小，但存在滯后現(xiàn)象。混凝土頂板上下表面撓度的時(shí)間歷程曲線相差不大，而鋼底板的撓度均大于混凝土頂板。在10:00時(shí)，邊跨跨中的混凝土頂板上下表面達(dá)到最大撓度3.8 mm；而鋼底板在12:00達(dá)到最大撓度5.16 mm。中跨跨中處混凝土頂板上下表面及鋼底板的撓度均在15:00達(dá)到極值，撓度分別為6.8 mm與8.3 mm。

圖4 邊跨跨中撓度的時(shí)間歷程 圖5 中跨跨中撓度的時(shí)間歷程

2.2 溫度應(yīng)力分析

由于橫向與豎向溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響較小，所以本文僅考慮縱向溫度應(yīng)力產(chǎn)生的影響。邊跨跨中、中跨跨中處混凝土頂板上、下表面及鋼底板縱向溫度應(yīng)力的時(shí)間歷程分別如圖6與圖7所示?；炷另敯迳稀⑾卤砻婵v向溫度應(yīng)力的發(fā)展趨勢相反，并由上而下應(yīng)力值逐漸減小。在日照條件下，混凝土頂板上表面的伸長由于受到混凝土板材料自身的約束，壓應(yīng)力隨著溫度的升高而逐漸增大；并在達(dá)到最大值后隨溫度下降而逐漸減小。鋼底板的溫度縱向應(yīng)力的發(fā)展隨溫度變化較為迅速，在10:00達(dá)到最大縱向壓應(yīng)力。

圖6 邊跨跨中縱向應(yīng)力時(shí)間歷程 圖7 中跨跨中縱向應(yīng)力時(shí)間歷程

圖8 中支座處混凝土板縱向應(yīng)力的時(shí)間歷程

中支座處混凝土頂板上、下表面與混凝土底板上、下表面的縱向溫度應(yīng)力時(shí)間歷程如圖8所示?；炷另敯迳?、下表面縱向溫度應(yīng)力的時(shí)間歷程與邊跨跨中相似?；炷恋装迨軠囟扔绊懨黠@小于頂板，其溫度梯度較小，溫度應(yīng)力的變化趨勢也較為緩和，其變形也相對滯后于鋼腹板。混凝土底板下表面受壓，說明對雙面組合箱梁整體的溫度彎曲變形起到了一定的抑制作用。

3 結(jié)束語

(1)通過對三跨鋼-混凝土雙面組合連續(xù)箱梁在日照條件下的有限元分析計(jì)算，得到了6:00至18:00組合梁溫度變形與溫度應(yīng)力的時(shí)間歷程，可供雙面組合連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)計(jì)算參考。

(2)混凝土底板對組合梁的變形具有一定的抑制作用，但溫度應(yīng)力在某些部位仍然較大，所以應(yīng)當(dāng)重視組合箱梁溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)安全的影響。

(3)連續(xù)梁支座的摩阻會對結(jié)構(gòu)日照溫度效應(yīng)產(chǎn)生影響，本文未予考慮。

參 考 文 獻(xiàn)

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