基于溫度梯度作用下薄壁墩身位移的數(shù)值模擬分析

陳月萍

安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，安徽安慶，246003

1 問題的提出

對(duì)于一般的橋梁設(shè)計(jì)來說，外界環(huán)境溫度變化所引起的溫度荷載的變化是廣大設(shè)計(jì)者首先要考慮的因素［1］。而對(duì)于薄壁箱型橋墩的溫度荷載主要是日照溫差荷載與寒流、降溫溫差荷載。本文以日照溫差荷載來進(jìn)行計(jì)算，并且采用軟件建模分析［2］?，F(xiàn)有的研究資料僅考慮混凝土墩身在溫度作用下的應(yīng)力分布情況，現(xiàn)今在橋墩施工中對(duì)于高墩墩身垂直度和線型的控制比較嚴(yán)格。為了能解決工程中的實(shí)際問題，本文利用數(shù)值模擬的方法，探尋混凝土橋梁橋墩在溫度荷載的作用下墩身位移的變化規(guī)律。

2 非線性溫度計(jì)算方法

簡化的空心矩形截面參數(shù)：截面高度為h，寬度為b，空心部分為b0，壁板厚度均為δ。沿橫截面高度方向的溫度變化用下式表示［2］：

式中，T0為日照溫差，T0＝t1－t2，見圖1；α為指數(shù)系數(shù)，一般取10；y為計(jì)算日照下的距離（以m計(jì)）。

式中，α為線膨脹系數(shù)，T（y）為橫截面高度溫差分布。

由彈性力學(xué)平截面假定，該構(gòu)件應(yīng)變?yōu)椋?/p>

自由約束應(yīng)力為：

在陽光照射下，設(shè)橋墩曲率半徑為ρ，曲率為：

而ε2＝

圖1 截面溫度梯度變化

3 溫度梯度

目前，國內(nèi)外對(duì)于薄壁高墩溫度梯度的研究比較薄弱［4］。在軟件系統(tǒng)中，把截面內(nèi)部的溫度分布情況模擬為非均勻溫度時(shí)，利用軟件中自帶的截面溫度功能輸入溫度荷載［5］。墩身布置傳感器，如圖2所示。考慮日照效應(yīng)的影響，結(jié)合溫度傳感器布置的位置，對(duì)混凝土墩身表面的測(cè)量布置如圖3所示。

圖2 傳感器分布圖

圖3 混凝土溫差測(cè)量位置

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)賈家灣大橋的左右幅12＃墩身混凝土表面溫差進(jìn)行了每隔1小時(shí)的連續(xù)測(cè)量，左幅兩相對(duì)面溫差如圖4所示。測(cè)量結(jié)果表明，沿橋向的兩相對(duì)面混凝土表面（即AB面，如圖3所示）的最大溫差為7.8℃，橫橋向的表面（即CD面）的最大溫差為15.9℃。本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高墩各截面最不利的溫差情況統(tǒng)計(jì)如圖5和圖6所示，高墩20m處的溫度梯度。

圖4 賈家灣大橋12＃墩混凝土表面溫差測(cè)量值

圖5 溫度上升的梯度變化

圖6 溫度下降的梯度變化

5 有限元數(shù)值計(jì)算分析

采用有限元軟件 MIDAS／CIVIL建立有限元模型如圖7所示。在本軟件中，處理溫度荷載時(shí)，程序有單元溫度荷載、節(jié)點(diǎn)溫度荷載、溫度梯度荷載和系統(tǒng)溫度荷載。本文以溫度梯度荷載的添加進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，如圖8所示。

圖7 有限元模型

圖8 溫度梯度的模型

對(duì)賈家灣大橋52m的薄壁高墩進(jìn)行分析。經(jīng)過有限元數(shù)值模擬軟件計(jì)算，得到高墩兩相對(duì)面溫度差引起的橫橋向的位移見表1，為了能夠直觀反映不同溫差的變化，作分布圖，如圖9所示。相對(duì)側(cè)面由不同溫度梯度所產(chǎn)生的軸線位移見表2，分布圖如圖10所示。

圖9 不同墩身高度在不同溫差作用下墩身水平位移

圖10 不同墩身高度在不同溫差作用下墩身軸線位移

表1 相對(duì)側(cè)面由不同溫度梯度所產(chǎn)生的水平位移／mm

表2 相對(duì)側(cè)面由不同溫度梯度所產(chǎn)生的軸線位移／mm

6 結(jié) 論

結(jié)合本文上述分析結(jié)果可以看出，在薄壁橋墩建設(shè)過程中，當(dāng)橋墩不同橋向的溫度差為5℃時(shí)，墩身頂端處的位移存在的最大值為：橫向位移8.5 mm、縱向位移為4.9mm；當(dāng)橋墩在外界溫度荷載下溫度差為20℃時(shí)，墩身頂端處的位移存在的最大值為：橫向位移47mm、縱向位移為20mm。因此，合理控制墩身截面的溫度梯度對(duì)控制墩身的變形有重要意義，只有控制好墩身的變形才能控制墩身的穩(wěn)定性和整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在橋梁建設(shè)和橋梁運(yùn)行的過程中顯得尤為重要。

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