不同風速對雙肢薄壁墩溫度場的影響分析

朱麗杰

（河北保津高速公路有限公司，河北 保定071051）

不同風速對雙肢薄壁墩溫度場的影響分析

朱麗杰

（河北保津高速公路有限公司，河北 保定071051）

為了研究風速對雙肢薄壁墩溫度場的影響，選取洺水大橋105.09m的雙肢等截面矩形空心墩為研究對象，利用A N SY S有限元軟件分析了不同風速值狀態(tài)下雙肢墩的溫度場。研究表明：風速值越大，墩壁內(nèi)外表面的溫差越小，所產(chǎn)生的應力也越小;風速值越小，墩壁內(nèi)外表面的溫差越大，所產(chǎn)生的應力也越大。因此，在設計上可以通過在墩壁上設置通風孔的方法，使內(nèi)外壁板溫差降低，從而減小溫度應力，使橋墩產(chǎn)生裂縫的可能性降低，從而減少橋墩病害。

橋梁工程;雙肢等截面矩形空心墩;風速;溫度場;應力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.025

1 工程概況

洺水大橋是連接邢臺～冀晉省界段上的一座“80m+3× 150m+80m”預應力混凝土連續(xù)剛構橋，橋墩最高墩高為105.09m，地面標高一般為814.00～960.00m，由于橋墩很高,由大氣邊界層內(nèi)風速廓線指數(shù)分布規(guī)律可以推知，高墩上部的風速將會明顯增大，會導致作用在連續(xù)剛構橋上的靜力、動力風荷載都很大。本文選取2013年8月某天作為計算時間，當天最高氣溫為34.5℃，最低氣溫為16.2℃，風速為3m/s。橋墩采用的是雙肢等截面矩形薄壁空心墩，肢間凈距為5m，單肢截面尺寸為7.5m×3.5m，壁厚為0.7m。在順橋向壁板處，每個壁板布置4個溫度應變計，進行現(xiàn)場實測，如圖1所示。

圖1 雙肢薄壁空心墩溫度場分布實測方案圖

2 結構分析模型的建立

有限單元法在流體動力學（CFD）中的應用是20世紀80年代開始的。隨著計算技術的提高和數(shù)值分析方法的不斷改進，采用計算CFD方法解決橋梁風工程問題變得越來越具有工程適應性。本文利用大型有限元軟件ANSYS對雙肢等截面矩形空心墩進行溫度場分析，由于空心墩材料為混凝土，它的導熱性能低，且溫度在其中的分布應按非線性考慮。根據(jù)大量的研究成果，在考慮溫度分布的非線性時，可忽略溫度沿墩身高度方向的變化，近似將矩形空心墩看做二維平面問題進行分析。

本文利用ANSYS模擬日照溫度場時，首先用Table（載荷數(shù)組表）表示熱流密度（集太陽輻射、熱輻射及對流于一體），然后作為邊界條件施加到雙肢墩上。定義熱流密度數(shù)時[1]，Tablt表中的數(shù)值取決于雙肢墩表面的溫度隨時間的變化函數(shù)：

*DIM,fluxl,Table,ntime,ntemp,,Time,Temp

在不同時間下橋墩產(chǎn)生的表面溫度作為邊界條件，給定fluxl的數(shù)值。使用ANSYS命令中的SFE和SFL命令[2]，將邊界條件施加在雙肢墩表面。

采用ANSYS軟件進行分析時，采用Beam189單元模擬橋墩，由于混凝土導熱性能差的特點，使得它傳熱速度很慢，因此，在網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格密度要大，網(wǎng)格的邊長可取0.1～0.2m。網(wǎng)格劃分及橋墩整體模型見圖2和圖3。

圖2 矩形空心墩網(wǎng)格劃分

圖3 矩形空心墩有限元模型

3 不同風速下的雙肢墩溫度場分析結果

風速對結構表面的溫度變化有著較大的影響，結構物表面溫度隨風速的增大而減小。較大的風速可以加快墩壁外側的空氣流動，使墩壁的溫度值降低。所以這里分別取1m/s和3m/s兩個風速值，對比不同風速值下橋墩溫度場的變化。

計算橋墩的溫差應力，必須首先確定溫度場(包括溫度梯度模式和溫度取值大小)。實測資料分析表明，溫度沿橋墩高度方向的分布總是很接近的，工程上可以忽略溫度沿墩高方向的微小變化。由于高墩一般都是變截面，而且截面變化較大，所以選取沿墩高方向盡可能多的截面作平面熱分析，然后將這些截面的溫度場轉化為溫度荷載施加到空間結構上，最大限度地考慮日照溫差對空心高墩的影響。本文僅考慮墩身處于懸臂狀態(tài)，這里只取距墩頂5m處的截面作為研究對象，計算分析其在下午17：00時刻不同風速對溫差應力和變形的影響，計算分析結果見表1。

表1 距墩頂5m處截面的日照溫差應力計算值對比

通過計算分析可得出以下結論：

1)風速為1m/s時，空心墩等效應力最大值為6.46MPa，徑向應力以外側壁板受壓而內(nèi)側壁板受拉為主，最大壓應力出現(xiàn)在南側壁板外側一點為6.46MPa，最大拉應力出現(xiàn)在東南側內(nèi)側壁板的角隅處一點為3.10MPa。風速為3m/s時的應力分布規(guī)律與1m/s時的應力分布規(guī)律相同，只不過應力值有所變化：最大等效應力為6.27MPa；徑向壓應力最大為6.27 MPa，拉應力最大為3.21MPa。

2)在懸臂狀態(tài)下，兩種風速情況下的墩身位移最大值均出現(xiàn)在墩頂，且由墩頂至墩根部，結構的變形值逐漸減小為0。當風速為1m/s時，矩形空心墩的平動位移最大值為6.0745 cm，最大扭轉位移為3.892＇；當風速為3m/s時，矩形空心墩結構的最大平動位移為5.6784cm，最大扭轉變形為3.623＇。

3)研究薄壁空心高墩溫度效應的關鍵在于確定一個符合實際情況的溫度場，然后根據(jù)最不利溫度分布進行結構力學分析[3]。在研究無云、無風狀態(tài)下日輻射對混凝土結構表面溫度的影響時，將風速限定在-個較小數(shù)值，分析混凝土結構物表面附近的溫度狀況是合適的。

4 結論

1)利用ANSYS有限元軟件二次開發(fā)成果分析計算雙肢薄壁墩連續(xù)剛構橋橋墩的溫度場，具有準確、方便、快捷的優(yōu)點，具有較高的實用價值。

2)風速越大，外側壁板的溫度越低，相對于內(nèi)側壁板的溫差就越小，產(chǎn)生的溫差應力也就越小。

3)風速越大，矩形空心墩溫度效應產(chǎn)生的平動位移越小，扭轉位移越小。

4)可以通過在墩壁上設置通風孔，降低內(nèi)外側壁板的溫差，從而最大限度地減少橋墩裂縫以及墩身病害發(fā)生的可能性。(1):52-54.

【3】葉征偉,項貽強.高墩連續(xù)剛構橋雙懸臂狀態(tài)等效風荷載的簡化計算[J].中國公路學報,2011(4):63-69.

【1】葛俊穎,丁嘯宇,張耀東.預應力混凝土箱梁橋日照溫度效應計算軟件的編制[J].公路,2010(3):82-86.

【2】葛俊穎.預應力混凝土箱梁日照溫差效應分析[J].中國鐵路，2010

Double Limb Thin-walledPier Temperature Field Under Different WindSpeedImpact Analysis

ZHU Li-jie
(Hebei Baojin HighwayCo.Ltd.,Baoding 071051,China)

In order to study double limb thin-walled pier temperature field under differentwind speed, selectMing-shui bridge 105.09mdouble limb of the cross-section of rectangular hollow pier as the research object, using ANSYS finite element software analysis underdifferentwind speed value double limb temperature field of the pier.Research shows that: The greater thewind speed value, the pier on thesurfaceofthewallinsideandoutsidetemperaturedifferenceissmaller,thesmallerthestress;Thesmallerthewind speed value the pier on thesurfaceofthewallinsideandoutsidetemperaturedifferenceisbigger,thebiggerthestress。Therefore,inthedesigncanbesetbythepierwallventmethod, lower the temperature difference between inside and outside thewall, so as to reduce temperature stress, reduce the possibilityofcrackonthebridgepier,thusreducingpierdiseases.

bridgeengineering;double-walledwithconstantsectionrectangularhollowpiers;windspeed;temperaturefield;stress

U443.22

A

1007-9467（2016）09-0096-02

2016-05-31

朱麗杰（1973～），女，河北唐山人，高級工程師，從事高速公路道路與橋梁工程管理與研究，（電子信箱）543800337@qq. com。