斜拉橋鋼混橋塔溫度效應(yīng)分析

楊吉新　程旭東　劉前瑞　劉　杰

(武漢理工大學交通學院1)　武漢　430063)　(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司2)　杭州　310009) (中國交通建設(shè)股份有限公司3)　北京　10088)

斜拉橋鋼混橋塔溫度效應(yīng)分析

楊吉新1)程旭東1)劉前瑞1，2)劉杰1，3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢430063)(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司2)杭州310009) (中國交通建設(shè)股份有限公司3)北京10088)

摘要：結(jié)合一斜拉橋鋼混橋塔的施工，應(yīng)用有限元方法，分析橋塔在初始溫度一定，外界氣溫驟然降溫時，整個橋塔內(nèi)鋼板和混凝土的溫度場分布情況，以及在溫度作用下橋塔內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與變形.計算表明，在外界溫度突然降溫的情況下，橋塔的橋軸方向會形成較大的溫度梯度；橋塔的順橋方向，在鋼混結(jié)合段處的鋼板外表面及其被混凝土包圍的內(nèi)腹板中會出現(xiàn)較大壓應(yīng)力；橋塔的豎向方向，橋塔上段鋼箱段和混凝土段的外表面會出現(xiàn)拉應(yīng)力，承壓板頂面會形成最不利的拉應(yīng)力，而在鋼混結(jié)合段處，外表面會出現(xiàn)壓應(yīng)力.

關(guān)鍵詞：橋塔；鋼混結(jié)合；溫度場；溫度效應(yīng)；數(shù)值分析

0引言

斜拉橋鋼混橋塔主要由鋼板和混凝土組成，由于鋼板與混凝土為2種不同材料，其與空氣的綜合傳熱系數(shù)[1-3]、導熱系數(shù)、彈性模量，以及線膨脹系數(shù)等材料性質(zhì)均不同，當橋塔外部大氣溫度發(fā)生變化時，在橋塔內(nèi)部會形成不同的溫度場，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形.這種鋼混橋塔的溫度場及溫度效應(yīng)的研究尚不多，本文結(jié)合廣東肇慶市閱江大橋的施工，對橋塔施工時的溫度效應(yīng)進行探討.

1工程概況

1.1鋼塔構(gòu)造

該橋為雙塔雙平行索面斜拉橋，橋塔總高度83.8 m，采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，其中鋼塔段長度56.18 m，混凝土塔段長度27.62 m；每個橋塔兩側(cè)各有24對斜拉索，斜拉索通過鋼錨箱錨固于橋塔內(nèi)部；每個橋塔縱橋向分別由2個塔肢和位于塔肢之間的12根橫梁焊接而成，橋塔見圖1.

單個塔肢縱橋向呈圓曲線布置，塔肢斷面為單箱單室結(jié)構(gòu)，縱橋向?qū)?.6 m，橫橋向?qū)?.0 m，由外壁板、2道內(nèi)腹板和縱向加勁肋組成，鋼塔截面見圖2.

橫梁斷面為矩形結(jié)構(gòu)，高1.4 m、寬1.2 m，由水平板、豎板和豎板縱向加勁肋組成，見圖3.

圖1 橋塔整體圖(單位:cm)圖2 鋼塔截面圖(單位:cm)圖3 橫系梁截面圖(單位:cm)

1.2鋼塔段與混凝土塔段連接

鋼塔段的豎向壓力主要通過鋼-混結(jié)合面處的承壓板傳遞到混凝土塔段中，而鋼-混結(jié)合面處的縱、橫橋向彎矩(施工及運營狀態(tài))則需要通過預應(yīng)力鋼束傳遞到混凝土塔段中.鋼混結(jié)合段處鋼板是外包混凝土，同時混凝土內(nèi)有2道內(nèi)腹板，見圖4.

圖4　鋼混結(jié)合段圖(單位：cm)

2有限元數(shù)值分析

2.1計算的基本假定

1) 不考慮綜合換熱系數(shù)在橋塔各表面的差異.

2) 不考慮橋塔內(nèi)普通鋼筋和預應(yīng)力鋼束對溫度場分布和溫度效應(yīng)的影響.

3) 假定鋼板和混凝土的物理參數(shù)屬性不隨溫度變化.

2.2材料參數(shù)

橋塔的材料是由C60混凝土和Q345qD鋼板組成，它們的物理性參數(shù)包括彈性模量、導熱系數(shù)和比熱容等，本文取的參數(shù)值見表1[4-6].

表1　材料物理參數(shù)

2.3ANSYS建模

本文只對全橋施工階段的鋼混橋塔進行溫度效應(yīng)分析，建立橋面以上的橋塔三維模型，由于斜拉橋為梁塔墩固結(jié)體系，主梁0號塊的剛度很大，以橋塔根部截面所有節(jié)點的邊界條件當作固結(jié)處理.至于對成橋后的斜拉橋，由于斜拉索都錨固在橋塔上，索力以及索對塔的約束都對橋塔的受力產(chǎn)生非常大的影響，需另文進行分析.

ANSYS建模，對于三維有限元模型溫度場的熱分析，先從CAD中導入ANSYS的橋塔幾何模型，采用SOLID70單元，該單元具有8個節(jié)點，每節(jié)點只有一個溫度自由度，是六面體單元，輸入材料的參數(shù).然后通過多次網(wǎng)格劃分進行比較，在滿足精度的條件下，得到該橋塔有限元模型由1 690 395個單元和408 503個節(jié)點組成.整體橋塔單元劃分后的有限元模型見圖5.X為主梁順橋方向，Y為主梁橫橋方向，Z為橋塔橋軸方向.

圖5　橋塔有限元模型

本文鋼混橋塔的溫度場模型屬于瞬態(tài)熱分析.在進行溫度場的熱分析求解以前，要給出橋塔的初始溫度條件.在ANSYS熱分析中有兩種方式可以定義結(jié)構(gòu)的初始溫度，如果結(jié)構(gòu)的初始溫度場是未知的，則必須先用穩(wěn)態(tài)熱分析來確定初始邊界條件；如果結(jié)構(gòu)的初始溫度場是已知的，可以通過用命令D來設(shè)置初始均勻溫度或通過IC來設(shè)定節(jié)點初始溫度.本文模型采用IC命令，定義橋塔內(nèi)混凝土和鋼板所有節(jié)點的初始溫度為25 ℃.

進行完熱分析后，要進行單元類型的轉(zhuǎn)換，ANSYS程序自動將其轉(zhuǎn)為SOLID185單元進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算，得出橋塔僅在溫度作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

3驟然降溫時橋塔的溫度場分布及溫度效應(yīng)

3.1溫度場分析

對于鋼混結(jié)合的橋塔，假設(shè)橋塔內(nèi)部初始溫度與大氣溫度一致為25 ℃，當外界驟然降溫時，外界大氣溫度場突降10 ℃即變?yōu)?5 ℃，此時橋塔與外界大氣溫度場進行熱交換.得到1，5，10 h后橋塔內(nèi)部的溫度場分別見圖6～11.

圖6　3 600 s橋塔整體的溫度場

圖7　3 600 s混凝土內(nèi)的溫度場

圖8　18 000 s橋塔整體的溫度場

圖9　18 000 s混凝土內(nèi)的溫度場

圖10　36 000 s橋塔整體的溫度場

圖11　36 000 s混凝土內(nèi)的溫度場

從計算結(jié)果可知，由于鋼板與空氣的綜合換熱系數(shù)和自身的導熱性好，且鋼板截面薄，

隨著時間的推移，上段鋼箱段內(nèi)的節(jié)點溫度最先達到外界溫度，而混凝土的導熱性差，在短時間內(nèi)混凝土內(nèi)的節(jié)點溫度很難變化，橋塔在橋塔軸向方向會形成較大的溫度梯度，在鋼混結(jié)合段處會形成一個很大的橫向溫度梯度，從而會在橋塔內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度次應(yīng)力.此時承壓板連接鋼混段，在承壓板的外表面會出現(xiàn)最不利的拉應(yīng)力.

圖12鋼塔外表面節(jié)點溫度隨時間變化曲線圖中，TEMP_9為中段鋼混結(jié)合段處鋼板的外表面節(jié)點6 114的溫度隨時間變化曲線，TEMP_10為上段鋼箱段處鋼板的外表面節(jié)點16 650的溫度隨時間變化曲線.

圖12　鋼塔外表面節(jié)點溫度隨時間變化曲線圖

計算結(jié)果表明，當外界溫度突然降溫時，鋼混結(jié)合段處的鋼板與混凝土接觸，而混凝土導熱性能差，導致鋼混結(jié)合段處鋼板的外表面溫度下降比上段鋼箱段處鋼板的外表面溫度慢.降溫開始時，橋塔內(nèi)部溫度與外界氣溫的溫度梯度大，所以橋塔各節(jié)點降溫速率快，后來逐漸趨于平穩(wěn)，直至與外界氣溫平衡.

3.2溫度應(yīng)力與變形分析

從計算結(jié)果可知：

1) 圖13表示在外界氣溫降溫時，1 h后橋塔x方向的應(yīng)力.由圖13可見，橋塔表面先降溫，在順橋x方向，橋塔的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在橋塔的最底端，大約為18.3 MPa，而最大的拉應(yīng)力會出現(xiàn)在橋塔鋼箱段上頂端，大約為9.7 MPa.圖14為鋼混結(jié)合段某一截面x方向的應(yīng)力，橋塔鋼箱段的鋼板外表面會出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力，但在鋼混結(jié)合段處的鋼板外表面及其被混凝土包圍的2道內(nèi)腹板中會出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，在7～13 MPa之間，其原因是由于鋼混結(jié)合段內(nèi)鋼板的導熱性能好、降溫快，但混凝土內(nèi)的溫度改變不大，鋼板與混凝土2種材料的彈性模量、線膨脹系數(shù)等不同，從而在溫度作用下鋼板內(nèi)會形成較大的壓應(yīng)力，相應(yīng)的在與鋼板接觸的混凝土中會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力.

圖13　3 600 s時x方向的應(yīng)力

圖14　3 600 s時鋼混結(jié)合段x方向的應(yīng)力

2) 圖15為在外界氣溫降溫時，1 h后橋塔豎向z方向的應(yīng)力.橋塔的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在橋塔的最底端，大約為34.5 MPa，而最大的拉應(yīng)力會出現(xiàn)在上段鋼箱段與中間的鋼混結(jié)合段交界的承壓板頂面上，約為9.1 MPa.由圖15可見，橋塔上段鋼箱段和下段混凝土段的外表面會出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，但在鋼混結(jié)合段處，橋塔外表面出現(xiàn)壓應(yīng)力.承壓板頂面的應(yīng)力分布見圖16.

圖15　3 600 s時z方向的應(yīng)力

圖16　3 600 s時承壓板頂面z方向的應(yīng)力

3) 在圖17、圖18中，當外界溫度降溫的情況下，1 h后橋塔在x方向會往外伸，最大值為0.2 cm，同時在z方向會往上升，最大值為2.2 cm.所以溫度對于橋塔位移的影響主要是在橋塔的縱軸方向，應(yīng)予以控制.

圖17　3 600 s時x方向的位移

圖18　3 600 s時z方向的位移

4結(jié)論

1) 在外界氣溫驟然降溫的情況下，對于橋塔內(nèi)溫度場，上段鋼箱段內(nèi)的節(jié)點溫度最先達到外界溫度.由于混凝土的導熱性差，在短時間內(nèi)混凝土內(nèi)的節(jié)點溫度變化慢，那么橋塔在橋軸豎向會形成較大的溫度梯度，同時在鋼混結(jié)合段處會形成一個很大的橫向溫度梯度.

2) 對于在溫度作用下橋塔內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，橋塔的順橋x方向，在鋼混結(jié)合段處的鋼板外表面及其被混凝土包圍的2道內(nèi)腹板中會出現(xiàn)較大壓應(yīng)力，相應(yīng)的與鋼板接觸的混凝土中會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力.橋塔的豎向z方向，橋塔上段鋼箱段和混凝土段的外表面會出現(xiàn)拉應(yīng)力，在承壓板頂面會形成最不利的拉應(yīng)力，但在鋼混結(jié)合段處，橋塔外表面會出現(xiàn)壓應(yīng)力.

3) 在外界溫度改變的情況下，溫度對于橋塔位移的影響主要是在橋塔的縱軸方向，應(yīng)予以控制.

參 考 文 獻

[1]葛耀君，翟東，張國泉.混凝土斜拉橋溫度場的試驗研究[J].中國公路學報,1996,9(2)：55-58.

[2]段飛.大跨度鋼橋日照溫度場和溫度效應(yīng)研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[3]鄭富文.預應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁公路橋日照溫度場和溫度應(yīng)力研究[D].成都：西南交通大學,1988.

[4]金增洪.混凝土橋梁的溫度差設(shè)計[J].中外公路,1993(5):12-20.

[5]劉照球.混凝土結(jié)構(gòu)表而對流換熱研究[D].上海:同濟大學,2006.

[6]郝超，丁潤賢，柳世強.鋼橋溫度場分布的數(shù)值模擬[J].世界橋梁,2002(3):55-59.

Study on Temperature Effect of the Steel-concrete Pylon of Cable-stayed Bridge

YANG Jixin1)CHENG Xudong1)LIU Qianrui1.2)LIU Jie1.3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(CentralandSouthernChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.Ltd.,Hangzhou310009,China)2)(ChinaCommunicationsConstructionCompanyLimited,Beijing10088,China)3)

Abstract：Combined with the construction of steel-concrete pylon of some cable-stayed bridges, the bridge tower is analyzed with finite element method under certain initial temperature. The temperature field distribution in the steel and concrete of the pylon, the temperature stress and the resulting deformation of the pylon are studied in the case where there is a sudden drop of the outside temperature. The result shows that a relatively large temperature gradient in the vertical direction of the pylon emerges when the outside temperature suddenly decrease. Besides, in steel-concrete composite segment along the span of pylon, there appears relatively large compressive stresses both on the external surface of the steel and in the endosternum which is surrounded by concrete. In the vertical direction of the pylon, tensile stresses in the steel box of the upper segment and external surface of the concrete segment are found to exist. In addition, it is found that the most unfavorable tensile stress appears in the top of bearing plate. However, in the steel-concrete composite segment, there appears compressive stress on the outside surface.

Key words：the pylon of cable-stayed bridge; steel-concrete joint; temperature field; temperature effect; numerical analysis

收稿日期：2016-04-28

中圖法分類號：TU34

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.002

楊吉新(1964- ):男，教授，博士生導師,主要研究領(lǐng)域為橋梁工程與力學