混凝土箱梁橫截面溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)與仿真分析

丁笑笑，劉 凡

(蘇州科技學(xué)院)

混凝土箱梁橫截面溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)與仿真分析

丁笑笑，劉 凡

(蘇州科技學(xué)院)

通過(guò)實(shí)測(cè)混凝土箱梁模型的溫度場(chǎng)同時(shí)用有限元軟件模擬驗(yàn)證，得到溫度影響下的混凝土箱梁橫截面各部位的溫度場(chǎng)的變化情況，在此基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，提出了混凝土箱梁橫截面頂板的溫度差計(jì)算模式的建議。

混凝土箱梁;溫度場(chǎng);溫度梯度

0 引言

箱梁因其良好的受力性能在現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)尤其是橋梁中得到廣泛應(yīng)用，但因其長(zhǎng)期受自然環(huán)境及日照作用的周期性影響，導(dǎo)致混凝土箱梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的非線性溫度應(yīng)變，而當(dāng)這種溫度應(yīng)變受到結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外約束阻礙時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不斷有溫度應(yīng)力導(dǎo)致的箱梁裂損事故。而要準(zhǔn)確確定溫度對(duì)箱梁的影響就要明確溫度應(yīng)力的分布及其形成因素。

本文通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)出混凝土箱梁沿橫截面的溫度場(chǎng)分布，同時(shí)用有限元軟件模擬驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上擬合出一種適合本地區(qū)的溫度梯度模式，供工程實(shí)踐參考。

1 箱梁溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)與數(shù)據(jù)分析

由于箱梁受野外工作環(huán)境不確定因素的影響較多，采用室內(nèi)光照加載的方式模擬了室外太陽(yáng)輻射、氣溫升高的自然環(huán)境，實(shí)測(cè)混凝土箱梁(簡(jiǎn)支梁)實(shí)體模型內(nèi)的溫度變化情況。模型長(zhǎng)2 m。

梁高0.6 m，頂寬0.8 m，底寬0.4 m，箱梁尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 箱梁尺寸圖

選取箱梁跨中斷面為溫度觀測(cè)截面并將溫度傳感器預(yù)埋在截面相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)位置，溫度傳感器采用江蘇潤(rùn)江產(chǎn)的JDC－2混凝土溫度傳感器，測(cè)試儀器采用配套的電子測(cè)溫儀。記錄觀測(cè)時(shí)間、環(huán)境溫度、混凝土表面溫度、箱內(nèi)溫度境溫度、混凝土表面溫度、箱內(nèi)溫度以及溫度測(cè)點(diǎn)溫度。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)顯示2014—11—12日天氣晴好，故選擇在這一天進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)間為早上8點(diǎn)至下午5點(diǎn)，測(cè)試時(shí)采用連續(xù)觀測(cè)方法，每隔20 min采集一次數(shù)據(jù)。從8點(diǎn)到下午14點(diǎn)模擬室外環(huán)境溫度升高的情況，從14點(diǎn)到17點(diǎn)模擬室外環(huán)境溫度降低的情況。溫度傳感器測(cè)點(diǎn)布置、實(shí)驗(yàn)圖片如圖2所示。

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

2 溫度觀測(cè)結(jié)果及分析

2.1 頂板

圖3為箱梁頂板中部溫度、室內(nèi)環(huán)境溫度及箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，可以看出從早上8點(diǎn)10分開始，室內(nèi)環(huán)境溫度從15.6°開始上升，至14∶10分升到最高40°，下17∶10分降至22°。而箱內(nèi)溫度變化平穩(wěn)，平均值為20°。

圖3 頂板中部實(shí)測(cè)溫度—時(shí)間曲線圖

圖4 頂板腹板處、懸挑處實(shí)測(cè)溫度—時(shí)間曲線圖

頂板中部，接近頂板上緣的1點(diǎn)與混凝土表面溫度走勢(shì)幾乎相同，在14∶10分分別達(dá)到最大值51.8度和52.8度。2點(diǎn)、3點(diǎn)與1點(diǎn)的溫差分別為4.4度和7.7度。

圖4為頂板腹板處溫度、懸挑處。

溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，腹板處接近上緣的14點(diǎn)下午14∶30分升到最大值45.6度，與腹板中部測(cè)點(diǎn)13及腹板下緣測(cè)點(diǎn)12的溫差分別為3.2度及7.8度。

懸挑處的測(cè)點(diǎn)20在下午14點(diǎn)10分達(dá)到最大值42.8度，與測(cè)點(diǎn)19、18的溫差為2.6度及5.1度。

2.2 腹板

隨著腹板高度的增加，腹板各測(cè)點(diǎn)的溫度梯度逐漸增大，且當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)，腹板部位除了位于板肋交接部位的12點(diǎn)，其余測(cè)點(diǎn)的溫度依然在升高，下降趨勢(shì)并不明顯。

測(cè)點(diǎn)7、8、9位于箱梁高度方向270 mm的水平方向，接近腹板中間位置，相對(duì)于箱梁頂板的溫差，腹板箱內(nèi)、箱外測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫差很小，不超過(guò)2度。

2.3 底板

箱梁底板的中部的3個(gè)測(cè)點(diǎn)及底板腹板處的測(cè)點(diǎn)4的溫度變化曲線幾乎重合，且變化曲線平穩(wěn)，平均溫度為18.2度。

2.4 箱梁實(shí)測(cè)溫度場(chǎng)分析

(1)由于箱梁頂板所受的光照輻射最強(qiáng)，箱梁頂板受溫度影響最為敏感，不僅沿頂板高度存在較大的豎向溫差，頂板中部、頂板腹板處和頂板懸挑部位也存在橫向溫差，上緣最大橫向溫差達(dá)到9℃。

(2)腹板由于受到翼緣板的遮擋，受到的光照輻射比頂板少，所以腹板內(nèi)壁與外表面的溫差很小。但腹板沿高度方向的溫度差異明顯。

(3)由于箱梁底板受到的光照輻射幾乎為零，底板氣溫變化幅度很小，相對(duì)于箱梁頂板，底板的溫度變化平穩(wěn)。

3 模型驗(yàn)證

本文采用ANSYS12.0對(duì)混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行模型驗(yàn)證，由于本文不考慮鋼筋對(duì)箱梁溫度場(chǎng)的影響，所以選取六面體單元SOLID70創(chuàng)建實(shí)體單元并采用四邊形單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱取2 500 kg/m3、2.5 W/m.K及1 920 kJ/(kg·℃)。

采用“綜合氣溫”的方法將輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)統(tǒng)一用對(duì)流來(lái)代替施加，將綜合大氣溫度、綜合對(duì)流系數(shù)施加于箱梁有限元模型的各個(gè)邊界。由于頂板受到的光照輻射最強(qiáng)，所以頂板的綜合氣溫取為37.5+22.5×sin(15×(t－5)－60)，綜合對(duì)流系數(shù)取為21，腹板的光照輻射小，腹板的綜合氣溫取為20+5×sin(15×(t－5)－25)，綜合系數(shù)取12，而底板及箱內(nèi)受到的光照輻射幾乎為零，所以底板的綜合氣溫取為17.5+2.5×sin(15×(t－5)－20)，綜合系數(shù)取8，箱內(nèi)的綜合氣溫和綜合系數(shù)為20℃、3.5。

經(jīng)過(guò)有限元求解，可以得到箱梁每一時(shí)刻的溫度場(chǎng)?？梢钥闯鲰敯迮c腹板交界處的溫度場(chǎng)最為復(fù)雜。

通過(guò)將計(jì)算有限元計(jì)算所得數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5，可知:兩者不僅規(guī)律上相似，且誤差在1度內(nèi)，說(shuō)明基于實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)建立的有限元模型可以準(zhǔn)確模擬箱梁實(shí)際溫度場(chǎng)。

4 溫度梯度形式擬合

通過(guò)前面的分析比較可知，箱梁兩側(cè)腹板中部及底板中間的溫度值很穩(wěn)定;而在頂板中間部位，溫度沿梁高方向變化幅度大。所以主要分析箱梁橫截面頂板的豎向溫度梯度。由于頂板溫度一般出現(xiàn)梯度變化最大在14∶00左右，所以14∶00的頂板溫差是最具研究意義。假設(shè)箱梁頂板溫差的函數(shù)為

式中:T0為箱梁頂板截面沿梁高方向的最大溫差，℃;Ty為計(jì)算點(diǎn)的溫差值，℃;y為計(jì)算點(diǎn)到箱梁頂板外表面的距離，m;b為系數(shù)。最大溫差值和系數(shù)決定了整個(gè)箱梁斷面的溫度差異分布形式，為此通過(guò)最小二乘法將上表數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到T0=29，b=7.13，對(duì)其取整就可得到T=29e－7y。

圖5 計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

表1

將本文所得的溫度梯度與各國(guó)相關(guān)規(guī)范中的溫度梯度分別進(jìn)行比較，并將用相對(duì)誤差的形式表現(xiàn)出來(lái)(見表1)?？梢园l(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)比新西蘭、澳大利亞的規(guī)范的計(jì)算值小，比英國(guó)規(guī)范的計(jì)算值大，與我國(guó)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算值最接近。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)由于混凝土箱梁各部位所受的光照輻射各不相同，所以箱梁各板件的溫度場(chǎng)也各不相同，其中頂板對(duì)溫度變化敏感，腹板和底板溫度變化穩(wěn)定，同時(shí)箱梁不僅在沿豎直方向存在明顯的溫差，而且箱梁頂板與箱梁翼緣板之間上緣跟下緣均存在橫向溫差，最大可達(dá)9℃。而溫度梯度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況影響顯著，因此建議，實(shí)際工程中應(yīng)重視溫度對(duì)箱梁應(yīng)力、應(yīng)變的影響。

(2)根據(jù)回歸分析，混凝土箱梁頂板的最大豎向溫差分布形式基本可以用T=29e－7y的形式來(lái)表示，這一溫度梯度模式可以適用于氣候條件與本地相近的地區(qū)。將溫度梯度模式與各國(guó)相關(guān)規(guī)范中的溫度梯度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算的溫度梯度與英國(guó)規(guī)范計(jì)算值的相對(duì)誤差最大，與我國(guó)鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算模式的溫度梯度值最接近。

［1］ 范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.人民交通出版社，2001.

［2］ 凱爾別克.太陽(yáng)輻射對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響［M］.劉興法等譯.北京:中國(guó)鐵道出版社，1981.

［3］ 彭友松.混凝土橋梁結(jié)構(gòu)日照溫度溫度效應(yīng)理論與應(yīng)用研究［D］.西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

［4］ 葉見曙.賈琳.混凝土箱梁溫度分布觀測(cè)與研究［J］.東大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.

［5］ 劉興法.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁溫度應(yīng)力計(jì)算方法［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1986.

U442

C

1008－3383(2015)10－0084－02

2015－03－13

丁笑笑(1991－)，女，碩士，研究方向:土木工程。