高速鐵路槽形梁橋豎向溫度分布模式研究

薛 嵩,王文欣

(天津市市政工程設計研究院,天津 300051)

高速鐵路槽形梁橋豎向溫度分布模式研究

薛 嵩,王文欣

(天津市市政工程設計研究院,天津 300051)

以滬昆高速鐵路某槽形梁斜拉橋為工程背景,根據(jù)傳熱學和太陽物理學等相關理論,建立槽形梁橫斷面熱力學分析模型,研究槽形梁內(nèi)部的溫度分布規(guī)律,探討各類參數(shù)的影響,在此基礎上提出日照作用下槽形梁橫斷面上溫度分布模式。分析發(fā)現(xiàn):不同時刻、大氣透明度系數(shù)、混凝土表面輻射吸收率及梁高雖然會引起槽形梁溫度場變化,但對槽形梁的豎向溫差模式影響不大;槽形梁溫差模式可按兩部分進行擬合,截面頂緣溫差22℃,采用指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)相結(jié)合模式進行擬合;下緣最大溫差4℃,并線性變化至0℃。

橋梁工程;槽形梁;日照溫差;參數(shù)影響;溫差模式

暴露在環(huán)境中的混凝土橋梁結(jié)構,長期經(jīng)受外界環(huán)境的變溫作用,混凝土由于材料本身性質(zhì)所致,對于溫度的傳遞十分緩慢,當受到溫度變化作用時,將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生非線性的溫度分布,而由此引起溫度應力和溫度變形是影響橋梁結(jié)構安全性和耐久性的重要因素之一[1-2]。

槽形梁具有建筑高度低、噪聲污染小、防止道砟飛散、外形美觀等優(yōu)點,但由于槽形截面為開口截面,受太陽輻射面積大,且內(nèi)部倒角設置多,對于環(huán)境中的溫度變化極為敏感。國內(nèi)外學者的研究對象和各國規(guī)范中對于非線性溫差曲線的規(guī)定多針對普通箱梁或T梁,槽形梁的溫差模式尚不明確。

本文基于大型通用有限元軟件ANSYS,根據(jù)熱力學和太陽物理學等相關理論,以熱流密度的形式模擬槽形梁的熱邊界條件,對其內(nèi)部溫度場進行求解和分析;對影響槽形梁內(nèi)溫度分布的大氣透明度系數(shù)、混凝土表面輻射吸收率和梁高進行參數(shù)分析;擬合適用于槽形梁的日照溫差曲線。

1 工程背景

某高速鐵路槽形梁斜拉橋塔高51.8 m,孔跨布置為(32+80+112)m,全橋布置如圖1所示,主梁典型斷面如圖2所示[3]。

圖1 滬昆客運專線某斜拉橋布置(單位:m)

圖2 槽形梁典型斷面示意(單位:cm)

2 日照溫度場理論

混凝土橋梁與外界環(huán)境的熱交換可以歸納為太陽輻射、輻射換熱和對流換熱3種類型,如圖3所示。

圖3 槽形梁與外界的各種熱交換示意

對于各類熱交換轉(zhuǎn)化為熱流密度的計算方法,諸多文獻已有詳盡的介紹[4-8],不再贅述。以下介紹對槽形梁日照溫度場計算的各項初始參數(shù)取值。

槽形梁道砟厚度0.52 m,寬度為4.9 m,并假定橋梁梁體與道砟完全接觸,且各方向同性。各部分材料熱物理特性見表1。

氣候參數(shù)選取主要參照長沙所處的地理位置,取值如下:大氣透明度系數(shù)取0.85;氣溫變化范圍為20～ 42℃;平均風速取1.0 m/s;地理位置北緯28.4°,東經(jīng)111.54°;橋梁軸線方位角0°;混凝土表面輻射吸收率取0.65,長波輻射發(fā)射率取0.88,地表短波反射率取0.2。

表1 不同材料熱物理性能參數(shù)

日照溫度分布采用ANSYS中的PLANE55平面板單元計算,并選取一年中輻射最強的一天6月21日進行計算,同時為消除初始因素影響,采取多天循環(huán)計算,本文中計算時長取6 d。忽略梁體與內(nèi)部空氣的輻射換熱,且假設內(nèi)部空氣與外部空氣不進行對流換熱,空氣初始溫度按高于槽形斷面混凝土初始溫度1.5℃考慮[4]。最終把槽形梁外表面所受太陽輻射、太陽散射、大氣熱輻射等轉(zhuǎn)化為綜合的熱流密度儲存在邊界表格中,施加在槽形梁表面。

3 槽形梁日照溫度場分析

圖2中所示T1、T2及T3觀測點溫度時程分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 觀測點溫度變化規(guī)律示意

可以看出,受太陽輻射作用越強的部位溫度變化越明顯,因此槽形梁頂板溫度變化幅值最大,腹板次之,底板最弱。同時,在計算到達第5 d時已趨于穩(wěn)定,故選取第6天數(shù)據(jù)作為分析結(jié)果。

第6天不同時刻槽形梁腹板豎向溫度分布如圖5所示。

圖5 槽形梁腹板豎向溫度分布

由計算結(jié)果可以看出,不同時間點槽形梁溫度場雖然有所不同,但豎向溫差曲線模式基本相同,且上緣最大溫差值均為22℃左右,下緣最大溫差值為4℃左右,因此可以認為不同時刻槽形梁豎向溫差模式基本相同。

4 參數(shù)敏感性分析

影響混凝土橋梁內(nèi)部溫度分布主要有外部和內(nèi)部兩種因素,其中外部因素主要為環(huán)境溫度的變化作用,而內(nèi)部因素主要為混凝土的熱物理性質(zhì)、結(jié)構構件的形狀和細部尺寸等。

本節(jié)旨在對影響因素中的大氣透明度系數(shù)、混凝土表面輻射吸收率及梁高進行分析,以便進一步總結(jié)槽形梁溫差分布規(guī)律。

4.1 大氣透明度系數(shù)的影響

大氣透明度系數(shù)與海拔、水路環(huán)境和煙塵等因素有關。大氣透明度系數(shù)的變化會直接影響太陽輻射強度。不同大氣透明度系數(shù)下槽形梁腹板豎向溫度分布如圖6所示(計算時刻為下午16:00,下同)。

圖6 不同大氣透明度系數(shù)下槽形梁腹板豎向溫度分布

由圖6可以看出,大氣透明度系數(shù)對槽形梁溫度場影響比較明顯,大氣透明度系數(shù)每增加0.2,槽形梁表面最大溫度升高5℃左右,但槽形梁溫差曲線模式基本不變,最大溫差值也均為22℃左右。

4.2 混凝土表面輻射吸收率的影響

混凝土表面輻射吸收率與混凝土表面顏色和光滑程度有關,表2為試驗測定出的不同表面輻射吸收率[6]。

表2 不同混凝土表面輻射吸收率

計算不同表面輻射吸收率下槽形梁腹板豎向溫度分布如圖7所示。

當混凝土表面輻射吸收率大于0.5時,槽形梁溫度隨吸收率增大而增大,吸收率每增加0.1,槽形梁表面最大溫度升高7℃左右。但當表面輻射吸收率為0.25時,混凝土放熱占主要地位,混凝土內(nèi)部熱量逐漸流失,最終導致混凝土溫度低于環(huán)境溫度。同時也可以看出,在吸收率大于0.5時,槽形梁溫差分布基本一致。

4.3 梁高的影響

為探討槽形梁豎向溫度分布隨梁高的變化規(guī)律,分別對2.5、3.0、3.5 m和4.0 m四種梁高進行分析,如圖8所示。

圖7 不同混凝土表面輻射吸收率下槽形梁腹板豎向溫度分布

圖8 不同梁高下槽形梁腹板豎向溫度分布

采用不同梁高對槽形梁內(nèi)溫度分布影響很小,且頂緣溫差主要分布在距頂板上緣約0.4 m深度范圍內(nèi),并且在0.4 m以下0.5H(H為梁高)距離內(nèi)逐漸衰減至0℃,底緣溫差主要分布在距底板下緣0.2 m深度范圍內(nèi)。

5 槽形梁豎向溫差模式

基于前文中對槽形梁溫度場及多種影響因素的分析,提出槽形梁的豎向溫差模式如圖9所示。

圖9 槽形梁溫差模式示意(單位:m)

槽形梁上部溫差采用指數(shù)函數(shù)與線性函數(shù)相結(jié)合的方式擬合:在距頂板表面0.4 m范圍內(nèi),采用Ty= T01eay形式的指數(shù)函數(shù)擬合,擬合結(jié)果得到Ty=22e-6y; 0.4 m以下的0.5H深度范圍內(nèi),溫度以線性衰減至0。底板中溫差采用線性擬合,距底板表面0.2 m范圍內(nèi),溫度由4℃變?yōu)?℃。

6 結(jié)論

以滬昆客運專線上某槽形梁斜拉橋為工程背景,利用ANSYS有限元軟件建立了考慮大氣參數(shù)、橋址信息等因素的槽形梁平面單元模型,分析了槽形梁日照溫度分布規(guī)律,探討了大氣透明度系數(shù)、混凝土表面輻射吸收率和梁高對槽形梁溫差的影響,并在此基礎上提出了槽形梁的溫差模式,得到的主要結(jié)論如下。

(1)受太陽輻射越強的部位一天中溫度變化幅值越大,但不同時刻槽形梁豎向溫差曲線模式基本相同。

(2)大氣透明度系數(shù)每增加0.2,槽形梁表面最大溫度升高5℃左右;混凝土表面輻射吸收率大于0.5且每增加0.1,槽形梁表面最大溫度升高7℃左右;梁高變化對于槽形梁溫度分布影響很小;且這3種因素均不會顯著影響槽形梁內(nèi)溫差曲線的分布趨勢。

(3)分兩部分擬合槽形梁的溫差曲線:上緣最大溫差22℃,并符合指數(shù)函數(shù)和線性函數(shù)相結(jié)合的分布規(guī)律;下緣最大溫差4℃,并在0.2 m范圍內(nèi)線性變化至0℃。

[1] 劉興法.預應力箱梁溫度應力計算方法[J].土木工程學報,1986, 19(1):31-42.

[2] 曾志長.32 m雙線預制整孔箱梁蒸養(yǎng)溫度場及溫度裂縫控制研究[J].鐵道標準設計,2009(3):72-75.

[3] 戴公連,閆斌.高速鐵路斜拉橋與無縫線路相互作用研究[J].土木工程學報,2013,46(8):90-96.

[4] 彭友松.混凝土橋梁結(jié)構日照溫度效應理論及應用研究[D].成都:西南交通大學,2007.

[5] 薛嵩.槽形斷面斜拉橋日照溫差模式及效應研究[D].長沙:中南大學,2013.

[6] 肖祥南,戴公連.承受特殊活載的簡支槽形箱梁結(jié)構設計[J].鐵道標準設計,2010(4):51-55.

[7] 任翔.混凝土橋塔溫度場的時變分析及溫度梯度模式研究[J].鐵道標準設計,2012(6):40-45.

[8] 邵旭東,李立峰,鮑衛(wèi)剛.混凝土箱形梁橫向溫度應力計算分析[J].重慶交通學院學報,2000,19(4):5-10.

[9] BRANCO P A,MENDES P A.Thermal actions for concrete bridge design[J].Journal of Structural Engineering,1993,119(8): 2313-2331.

[10]鐵道部科學研究院西南研究所橋梁室溫度應力專題組.九江大橋混凝土箱形梁日照溫度場與溫度應力的實驗研究報告[R].成都:鐵道部科學研究院西南研究所橋梁室溫度應力專題組,1984.

[11]Enrique Mirambell,Antonio Aguado.Distribution of temperature and stress in concrete box-girder bridge[J].Journal of Structural Engineering,1990,116(9):2388-2409.

[12]戴公連,鄭鵬飛,閆斌,等.日照作用下箱梁橋上無縫線路縱向力[J].浙江大學學報:工學版,2013,47(4):609-614.

Research on Vertical Temperature Distribution Mode of U-shape Beam on High-speed Railway

XUE Song,WANG Wen-xin
(Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300051,China)

Based on the cable-stayed bridge with U-shape beam on the Shanghai-Kunming High-speed Railway and the relevant theories in respect of heat transfer and solar physics,a thermodynamics model of U-shape section is established to learn the mode of internal temperature distribution of the U-shape beam and access the influences of the parameters concerned.Based on the above,a sunshine temperature distribution curve for U-shape beam is proposed.The analysis shows that differences in time,coefficient of atmospheric transmission,surface absorption of radiation and height of the beam do give rise to the change of temperature field of U-type beam,but bring about less impact on the mode of vertical temperature difference;the modes of temperature difference of u-shape beam can be adapted in two parts with the maximum temperature difference of the upper part being 22℃adapted with the combination of exponential function and linear function,and the maximum temperature difference of lower part being 4℃reduced linearly to 0℃.

Bridge engineering;U-shape beam;Sunshine temperature difference;Parameter influence; Temperature difference mode

U238;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.020

1004-2954(2014)12-0081-03

2014-03-25;

2014-04-03

薛 嵩(1987—),男,工程師,2013年畢業(yè)于中南大學,工學碩士。