青藏高原地區(qū)鋼管混凝土拱橋大溫差溫度效應(yīng)

周大為,鄧年春,郭 曉,石 拓

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004)

0 引 言

鋼管混凝土拱橋自20世紀90年代四川旺蒼東河大橋的建成后,因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能在國內(nèi)得到迅速發(fā)展[1],對其溫度問題的研究也隨之展開。經(jīng)過幾十年的研究已經(jīng)取得一定的成果,但是針對青藏高原高海拔極端天氣頻發(fā)地區(qū)，結(jié)合實橋的研究卻很少。 根據(jù)1978—2004年實測資料統(tǒng)計,青藏高原地區(qū)多年平均氣溫9.2 ℃,月平均最高和最低氣溫分別為16.6和0.3 ℃,極端最高和最低氣溫分別為32.0和-16.6 ℃,變化幅度達48.6 ℃。晝夜溫度變化大、極端天氣頻發(fā)等復(fù)雜的環(huán)境特點,使得處于該地區(qū)的橋梁受溫度影響很大,不可忽視。外部溫度變化引起拱肋內(nèi)部溫度場變化,當變形受到內(nèi)外條件約束時將產(chǎn)生較大的附加溫度應(yīng)力。

劉振宇等[2]對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能進行了研究,并設(shè)計了對鋼管混凝土法向粘結(jié)強度的試驗,當混凝土與鋼管之間的拉應(yīng)力大于法向粘結(jié)強度時,二者發(fā)生脫粘。李艷玲[3]采用溫度箱模擬了晝夜大溫差條件下鋼管混凝土截面的溫度分布及溫度效應(yīng),分析結(jié)果表明,溫差較大時,鋼管和混凝土應(yīng)力應(yīng)變較為顯著,且鋼管數(shù)值大于混凝土,可能導(dǎo)致二者脫粘問題的發(fā)生。祁強等[4]對西北地區(qū)大溫差條件下的鋼管混凝土構(gòu)件脫粘問題進行研究, 結(jié)果表明, 在大氣溫度作用下截面溫度呈現(xiàn)非線性分布, 大氣溫度的降低可能導(dǎo)致鋼管和混凝土脫粘問題的發(fā)生。 靳忠強[5]對嚴寒環(huán)境下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能進行研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低, 鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強度呈線性降低。 文獻[6-7]對鋼管混凝土拱橋年溫差溫度效應(yīng)進行了計算, 結(jié)果表明,降溫條件下鋼管混凝土拱腳處將產(chǎn)生較大的溫度內(nèi)力,其中混凝土產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力。

為研究此類環(huán)境下溫度對橋梁的影響,以川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋為研究對象,對該橋在實際大氣溫度日變化以及年溫差變化下溫度效應(yīng)進行研究。

1 工程概況

川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋采用一跨過江方案：主跨為430 m的中承式鋼管混凝土拱橋,全橋主梁為一聯(lián)五跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,孔跨布置為(39.6+32)m連續(xù)梁+430 m中承式鋼管混凝土拱橋+(28+34.6)m連續(xù)梁,橋梁總長525.5 m。其拱肋截面采用四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結(jié)合的截面形式,上弦拱腳1.5節(jié)段和下弦拱腳3.5節(jié)段采用直徑1.8 m鋼管,其余拱肋節(jié)段采用直徑1.6 m鋼管。該橋位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣桑加峽谷內(nèi)。拱肋鋼管均采用Q420qENH,管內(nèi)灌注C60無收縮混凝土,腹桿和橫撐以及上下平聯(lián)均采用Q345qDNH,吊桿采用抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線制成,主梁連續(xù)梁梁部采用C55預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,邊墩采用C40鋼筋混凝土。

2 有限元方法驗證

2.1 試驗簡介

為驗證有限元法計算對大管徑鋼管混凝土拱肋的適用性, 采用足尺寸鋼管混凝土構(gòu)件進行溫度分布監(jiān)測試驗。 鋼管采用與藏木雅魯藏布江大橋管徑相同的1.6 m管徑, 壁厚10 mm; 為避免軸向產(chǎn)生熱傳導(dǎo), 管長達2.0 m, 且上下層設(shè)置保溫層;管內(nèi)灌注C60無收縮混凝土。 用熱敏電阻型溫度傳感器沿徑向按等間距布置,截面沿豎向和橫向共布置13個溫度傳感器, 采用定位鋼筋骨架將其固定于包塑鋼絞線上。 溫度采集采用基康無線溫度采集系統(tǒng)， 溫度數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為10 min/次， 溫度采集系統(tǒng)見圖1。 測試截面及測點布置見圖2。

2.2 有限元計算分析

采用大型有限元分析軟件ANSYS對截面溫度分布情況進行分析。 假設(shè)鋼管混凝土構(gòu)件沿軸向不存在熱傳導(dǎo), 將三維空間溫度分布問題轉(zhuǎn)化為二維平面問題進行分析。 采用平面熱分析PLANE55單元,并認為鋼管和混凝土之間熱流連續(xù),劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。 本文研究目標為大氣溫度循環(huán)作用下截面溫度分布情況, 故僅考慮對流換熱對截面溫度分布的影響。

對鋼管混凝土構(gòu)件進行連續(xù)11 d無日照溫度分布計算以消除初始時刻截面非線性溫度分布的影響,并與實測值進行對比分析以驗證ANSYS對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對流換熱計算的適用性。11 d大氣溫度時程變化見圖4。

大氣溫度的日變化過程具有一定的規(guī)律性, 在分析過程中可以將其擬合為關(guān)于時間的連續(xù)正弦函數(shù),最高和最低氣溫采用11 d內(nèi)的平均最高和平均最低氣溫進行計算。

圖1 大管徑鋼管混凝土拱橋模型溫度采集系統(tǒng)

圖2 鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度測點布置圖

圖3 有限元計算模型

圖4 大氣溫度實測值

式中:Tmax、Tmin為一天當中最高和最低氣溫,℃;t表示所處時刻;t0表示影響日大氣溫度最高和最低溫度發(fā)生的中間時刻,如t0=9,則最高氣溫出現(xiàn)在下午15時,最低氣溫出現(xiàn)在凌晨3時[8]。

表1為連續(xù)計算第10天不同時刻截面各測點溫度計算值和實測值對比, 因取截面對稱位置溫度數(shù)值相近， 故取1～4號測點進行驗證，測點選擇見圖3?？梢?有限元計算值與實測值較為吻合,邊緣測點溫度計算值稍大于實測值,主要是由于采用正弦函數(shù)對大氣溫度進行擬合時部分時間點溫度計算值大于實測值,但數(shù)值相差不大。最外緣測點溫度變化與氣溫基本一致,本實驗驗證了有限元計算方法的可行性。

3 晝夜大溫差溫度效應(yīng)分析

3.1 邊界條件

大氣溫度采用2.2節(jié)公式進行擬合, 考慮到實際橋址相較于北京時差約2 h, 此處t0=11。 圖5為拱橋冬季和夏季現(xiàn)場實測日氣溫變化和公式計算值的對比, 公式計算值溫度極值發(fā)生時刻較實測值有些許差異, 但大致可以反映橋址地區(qū)一天中大氣溫度的變化情況, 冬季晝夜溫差達到25 ℃, 遠大于夏季的12 ℃。

鋼管混凝土拱橋的氣溫日變化溫度分析屬于對流換熱問題。對流換熱系數(shù)h主要與風速、換熱表面的幾何因素[9]和橋梁的布置情況有關(guān),其中起到控制作用的是風速。文獻[10]推導(dǎo)出了固體表面在空氣中的換熱系數(shù), 考慮風速的作用,將風速作為參數(shù)

h=21.8+13.53v。

式中:v為風速, m/s;h為空氣換熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃)。

圖5 日氣溫變化曲線

表1 1～4號測點不同時刻溫度計算值和實測值對比

為了得到最不利的溫度效應(yīng), 風速應(yīng)為零,但風速為零的此類極端條件發(fā)生頻率極低[11]。 橋址地區(qū)冬季和夏季的平均風速大致為1～3 m/s, 為了得到最不利狀況, 本文取風速為1 m/s進行分析[12]。

橋梁與周圍環(huán)境構(gòu)成十分復(fù)雜的熱傳遞系統(tǒng),全面考慮各種因素的影響很難實現(xiàn)也非必要,故在保證計算精度的前提下進行合理的簡化。在分析過程中假設(shè):考慮到鋼管混凝土拱橋沿縱橋向為細長結(jié)構(gòu),沿軸向的溫度傳遞相較于橫向可以忽略,故將其簡化為二維平面模型進行分析[13]。

3.2 截面溫度分布分析

藏木雅魯藏布江特大橋上下弦管之間采用腹板連接,且上下游鋼管距離較大,故可簡化為取拱肋上游下弦截面以分析四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結(jié)合的截面形式,沿橋梁縱向共有3種截面形式見圖6。為了模擬實橋情況,分別對3種截面形式進行大氣溫度日變化作用下的瞬態(tài)分析。

鋼管混凝土截面直徑1.6和1.8 m, 鋼管壁厚36 mm。 采用二維平面熱分析單元PLANE55單元進行分析, 截面形式網(wǎng)格劃分以實腹式啞鈴形截面為例, 見圖7。 由冬季晝夜溫差遠大于夏季, 故本文以冬季日氣溫變化, 連續(xù)進行20 d瞬態(tài)溫度場分析。

圖6 拱助截面形式

圖7 拱助各截面網(wǎng)格劃分

不同截面冬季循環(huán)大氣溫度作用下發(fā)生極值溫差的第473小時即第10日下午16:00左右,溫度分布情況見圖8。

由圖8a可知,大氣溫度作用下截面最不利溫度發(fā)生時刻與大氣溫度峰值時刻基本一致,且邊緣測點溫度變化與大氣溫度相近,可認為截面溫差峰值發(fā)生與大氣溫度峰值同步,且截面溫度分布白天呈現(xiàn)內(nèi)低外高、夜間呈現(xiàn)外低內(nèi)高的狀態(tài),故晝夜變化間存在降溫溫差極值和升溫溫差極值。此外，分析結(jié)果還表明氣溫升溫導(dǎo)致的截面升溫溫差峰值較為顯著。

啞鈴形截面由于平聯(lián)的存在,減緩了部分鋼管和外部大氣對流換熱, 且由于混凝土導(dǎo)熱性能較差,使得兩側(cè)鋼管混凝土截面低溫區(qū)域凸向平聯(lián)側(cè)(圖8b)。

圖8 冬季日氣溫變化各拱助截面溫度分布

實腹式啞鈴形截面(圖8c)平聯(lián)內(nèi)灌注了混凝土, 混凝土導(dǎo)熱性能較差,得其截面溫度敏感性較低,故冬季日氣溫作用下截面最大梯度溫度達11.4 ℃發(fā)生在空腹式啞鈴形截面。由于混凝土和鋼管熱物理性能的差異,氣溫時刻變化,截面溫度場分布表現(xiàn)出高度的瞬時非線性特征。日氣溫作用下截面溫度分布主要有以下4種情況:①夜晚低氣溫時段呈現(xiàn)出溫度內(nèi)高外低;②白天高氣溫時段表現(xiàn)出內(nèi)低外高;③開始升溫時刻表現(xiàn)出內(nèi)外高中間低;④開始降溫時刻表現(xiàn)出內(nèi)外低中間高。

3.3 截面溫度效應(yīng)分析

采用ANSYS熱-固耦合進行分析,用ETCHG命令將二維熱分析單元PLANE55轉(zhuǎn)化為二維結(jié)構(gòu)分析單元PLANE182,設(shè)置材料相應(yīng)力學(xué)屬性并設(shè)置求解選項,讀取各荷載步下溫度場分析結(jié)果進行溫度加載，進而求得不同溫度分布狀態(tài)下的截面應(yīng)力。空腹式啞鈴形截面管內(nèi)混凝土在溫差極值時刻的徑向和環(huán)向溫度應(yīng)力情況見圖9。

圖9 空腹式啞鈴形截面混凝土溫度應(yīng)力

由計算結(jié)果可知,在截面梯度溫度作用下核心混凝土大面積產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力達1.12 MPa，混凝土和鋼管接觸處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為0.7 MPa。劉振宇等[2]通過設(shè)計彎拉法試驗對鋼與混凝土法向粘結(jié)強度進行試驗分析,認為鋼與混凝土的法向粘結(jié)極限強度約為0.86 MPa,在晝夜循環(huán)大溫差荷載作用下,粘結(jié)截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達到法向極限粘結(jié)強度的80%,極易導(dǎo)致脫粘問題的發(fā)生?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定C60混凝土抗拉強度設(shè)計值為2.06 MPa。核心混凝土在循環(huán)溫度作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力達到設(shè)計值的54.4%,循環(huán)溫度荷載作用下混凝土可能產(chǎn)生疲勞破壞,造成核心混凝土開裂,對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響。

空腹式啞鈴形截面溫差極值時刻和某降溫時刻在截面溫度荷載作用鋼管變形情況見圖10。其中外圍為鋼管的變形示意圖：升溫時鋼受熱膨脹,溫度降低時鋼管收縮,在升降溫的循環(huán)過程中可能產(chǎn)生鋼管的永久變形;由于鋼管和混凝土熱膨脹系數(shù)相近但導(dǎo)熱性能相差較大,在較大的晝夜溫差作用下鋼管和核心混凝土溫差較大使得鋼管和核心混凝土變形不均;在循環(huán)溫度荷載作用下，可能造成鋼管和混凝土脫粘問題的發(fā)生。

圖10 空腹式啞鈴形截面鋼管混凝土鋼管變形圖

4 較大年溫差橋梁溫度效應(yīng)分析

采用通用有限元分析軟件Midas Civil結(jié)合實橋分析在年溫變幅達48.6 ℃情況下拱肋截面混凝土應(yīng)力情況。

4.1 計算合龍溫度和有效溫度取值

鋼管混凝土拱橋的計算合龍溫度是環(huán)境溫度和管內(nèi)混凝土水化熱共同作用的結(jié)果,主要影響因素是管徑和水化28 d后的平均氣溫[14], 采用《鋼管混凝土拱擠技術(shù)規(guī)范》推薦的計算合龍溫度公式

T=T28+5D+T0-4.25。

其中,T28為混凝土澆筑28 d內(nèi)的平均氣溫,取月溫度平均值;T0是考慮水化熱的附加溫度值, 為3～5 ℃。

藏木雅魯藏布江特大橋管內(nèi)混凝土計劃灌注時間為2019年4月,該月平均最高氣溫為18 ℃,平均最低為3 ℃,故取月平均溫度T28=10.5 ℃,最終計算得出合龍溫度約為18.25 ℃。

有效溫度用于計算結(jié)構(gòu)在均勻溫度場作用下,結(jié)構(gòu)相對于基準溫度的溫度變形與內(nèi)力，分為最高有效溫度和最低有效溫度[15]。參考前人計算方法,分析橋址極端氣溫情況,極端最高日氣溫和極端最低日氣溫分別為32.0和-16.6 ℃,升溫溫差13.75 ℃,降溫溫差-34.85 ℃。綜上分析,計算方法,出于設(shè)計安全方面考慮,實際計算取整體升溫15 ℃,整體降溫35 ℃進行分析。

4.2 鋼管混凝土拱橋有效溫度效應(yīng)分析

采用大型通用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋有限元模型(考慮拱座),如圖11所示。拱肋、腹桿、橫聯(lián)、主梁等均采用梁單元,吊桿采用只能拉壓的桁架單元。全橋模型共有3 212個節(jié)點和3 689個單元。拱肋建立采用拱內(nèi)核心混凝土和鋼管共用節(jié)點的雙單元法。

結(jié)合橋梁所在地的實際環(huán)境情況,取3種分析工況如下: 工況1:恒載組合;工況2:恒載組合+整體升溫15 ℃;工況3:恒載組合+整體降溫35 ℃。各工況下拉薩岸拱腳截面混凝土應(yīng)力情況見表2。

圖11 全橋模型

由計算結(jié)果可知,恒載作用下拱腳混凝土全截面受壓;工況2和工況3作用下，部分上弦桿混凝土截面出現(xiàn)拉應(yīng)力,其中工況3作用下，4根上弦桿均產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力且最大拉應(yīng)力達到2.8 MPa。C60混凝土抗拉強度標準值和設(shè)計值分別為2.85和2.04 MPa,在工況3降溫情況下極有可能造成混凝土開裂問題的發(fā)生。在實際工程中需對上弦桿產(chǎn)生的拉應(yīng)力予以重視,盡量降低橋梁的計算合龍溫度以規(guī)避較大的降溫而產(chǎn)生的不利影響或采取一定的構(gòu)造措施降低混凝土拉應(yīng)力。

4 結(jié) 論

對青藏高原地區(qū)一座鋼管混凝土拱橋進行溫度場和溫度效應(yīng)進行研究,得到以下結(jié)論:

(1)橋址地區(qū)冬季晝夜最大溫差達25 ℃, 在較大的晝夜溫差作用下核心混凝土及混凝土和鋼管粘結(jié)處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力, 最大拉應(yīng)力為1.12 MPa, 達混凝土抗拉強度設(shè)計值的54%, 鋼管和混凝土粘結(jié)界面拉應(yīng)力達到粘結(jié)強度的80%。在循環(huán)氣溫荷載的作用下可能導(dǎo)致核心混凝土疲勞開裂甚至鋼管和混凝土脫粘問題的發(fā)生。在截面設(shè)計時，可在鋼管中輔以加勁肋等構(gòu)造措施,加勁肋深入混凝土內(nèi)部可起到減輕核心混凝土內(nèi)部溫度變化的遲滯性,同時增加鋼管和混凝土的粘結(jié)面,減輕脫粘問題的發(fā)生。

(2)在日變化氣溫的作用下鋼管混凝土拱橋拱肋截面溫度場隨時間的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。 不同拱肋截面形式, 在相同的氣候環(huán)境下截面溫度表現(xiàn)出很大的差異性, 在進行橋梁溫度分析時需要根據(jù)實際情況進行模擬。 根據(jù)截面溫度分布狀況可以將截面溫度分布形式分為4種狀況: ①夜晚呈現(xiàn)出溫度內(nèi)高外低; ②白天表現(xiàn)出內(nèi)低外高; ③開始升溫時刻表現(xiàn)出內(nèi)外高中間低;④ 開始降溫時刻表現(xiàn)出內(nèi)外低中間高。

表2 各工況下拉薩岸拱腳混凝土應(yīng)力

(3)青藏高原地區(qū)溫差最大可達48.6 ℃,升降溫作用下拱腳截面部分上弦混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力,其中降溫情況下4根上弦桿混凝土均產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,且最大拉應(yīng)力可達2.8 MPa。實際工程中需對拱腳上弦桿混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力予以重視,盡量降低橋梁的計算合龍溫度以規(guī)避較大的降溫溫差而產(chǎn)生的不利影響或采取一定的構(gòu)造措施降低混凝土拉應(yīng)力。