高墩大跨變高連續(xù)剛構(gòu)橋溫度場研究

郭鋼江

（上海市政工程設(shè)計研究總院集團浙江市政設(shè)計院有限公司，浙江杭州 310000）

1 工程概況

橋梁總圖布置如下：

總體：某公路橋梁為（102.75+160+160+102.75）m預(yù)應(yīng)力混凝土高墩變高連續(xù)剛構(gòu)橋，中墩和次邊墩采用雙肢薄壁結(jié)構(gòu)，并與中橫梁固結(jié)，邊墩采用支座形式。

上部結(jié)構(gòu)：為大挑臂單箱單室截面，梁頂寬12.0 m，梁底寬6.0 m；中墩和次邊墩處梁高9.5 m，主跨、次邊跨和邊跨跨中梁高3.3 m，梁高按拋物線變化過渡。主跨、次邊跨和邊跨跨中截面見圖1。

圖1 跨中截面（單位：m）

下部結(jié)構(gòu)：中墩和次邊墩（雙肢薄壁）高度約46 m，壁厚2.2 m，兩肢中心距為8.0 m。

2 橋梁溫度場概述

2.1 影響橋梁溫度變化的因素概述

混凝土橋梁的溫度場主要受以下幾個方面的影響：橋位處氣候變化、橋位處地形地貌特征和橋梁結(jié)構(gòu)自身的幾何特性。

橋梁溫度的變化本質(zhì)上通過三種方式實現(xiàn)[1]：（1）太陽輻射。橋梁結(jié)構(gòu)在太陽直接照射下，吸收傳遞過來的部分輻射。（2）輻射換熱。橋梁吸收周圍物體發(fā)出的熱輻射的同時，橋梁自身也向外界發(fā)出熱輻射。（3）對流換熱。由于橋梁表面與相鄰周圍環(huán)境的溫度差異，造成熱量從溫度高的一側(cè)傳遞到溫度低的一側(cè)，產(chǎn)生熱交換。

2.2 基于ANS YS 溫度場分析介紹

橋梁相鄰周邊環(huán)境溫度場是在不斷變化中的，對橋梁的影響也是在不斷變化中的，因此橋梁自身的溫度場是一個復(fù)雜非線性問題。借助ANSYS 的非線性分析功能[2-3]，建立全橋三維實體元分析模型。鑒于全橋?qū)嶓w模型計算量龐大，且跨徑對稱，溫度場結(jié)果也對稱，因此在保證計算準(zhǔn)確度的情況下，模型采用1/2 全橋長度，見圖2。綜合考慮太陽輻射、輻射換熱和對流換熱對橋梁的影響，較精確地模擬橋梁一段時間內(nèi)變化的溫度場。

圖2 ANS YS 全橋?qū)嶓w元模型

3 橋梁溫度場分析

3.1 夏季橋梁溫度場分析

橋梁考慮橋位處夏季一天24 h 內(nèi)的溫度場變化，頂板、底板24 h 溫度場分別見圖3、圖4，夏季下午關(guān)鍵時刻的腹板高度范圍內(nèi)的溫度場變化見圖5。

夏季溫度場計算表明：

（1）頂板外表面24 h 內(nèi)最大溫差為21.5℃，其中一天內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在15 點左右，溫度為51℃。

圖3 頂板24 h 溫度場

圖4 底板24 h 溫度場

圖5 腹板下午時刻溫度場

（2）底板外表面24 h 內(nèi)最大溫差為10.4℃，其中一天內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在16 點左右，溫度為38.5℃。

（3）由于箱梁內(nèi)表面未直接受到太陽輻射，因此溫度變化相對要小很多；頂板內(nèi)表面24 h 內(nèi)最大溫差為5.0℃；底板的內(nèi)表面 24 h 內(nèi)最大溫差為2.0℃。

（4）由于橋梁混凝土傳熱能力較差，頂板、底板厚度范圍內(nèi)溫度場發(fā)生了較大變化。

（5）腹板豎向溫差較大，頂板外表面向下400 mm范圍內(nèi)，24 h 最大溫差為16℃，底板外表面向上500 mm 范圍內(nèi)，24 h 最大溫差為 4.7℃。

3.2 冬季橋梁溫度場分析

橋梁考慮橋位處冬季一天24 h 內(nèi)的溫度場變化，頂板、底板24 h 溫度場分別見圖6、圖7，冬季下午關(guān)鍵時刻的腹板高度范圍內(nèi)的溫度場變化見圖8。

圖6 頂板24 h 溫度場

圖7 底板24 h 溫度場

圖8 腹板下午時刻溫度場

冬季溫度場計算表明：

（1）頂板外表面24 h 內(nèi)最大溫差為13.5℃。

（2）底板外表面24 h 內(nèi)最大溫差為6.2℃。這是由于冬季太陽輻射強度沒有夏季強，太陽輻射對梁體的升溫作用相對夏季要小。外頂板向下40 cm 溫差最大達到10.7℃，外底板向上50 cm 溫差最大為3℃。

（3）由于箱梁內(nèi)表面未直接受到太陽輻射，且冬季整體溫度變化低于夏季，因此冬季箱梁內(nèi)表面溫度場分布和變化與夏季大致相同，只是溫度的極值不一樣。

（4）由于橋梁混凝土傳熱能力較差，頂板、底板厚度范圍內(nèi)溫度場發(fā)生了較大變化。

（5）由于冬季太陽輻射效應(yīng)沒有夏季強，因此腹板豎向溫度場較夏季變化小，頂板外表面向下400 mm 范圍內(nèi)，24 h 最大溫差為10.7℃，底板外表面向上500 mm 范圍內(nèi)，24 h 最大溫差為3.0℃。

4 結(jié) 語

通過ANSYS 對夏季、冬季兩個橋梁運營過程中經(jīng)歷的極端溫度場進行非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，結(jié)論如下：

（1）被太陽輻射直接作用的橋梁表面，表面溫度較其他部位高，且由于混凝土傳熱能力較差，橋梁梁體內(nèi)部對外界熱輻射的反應(yīng)滯后；夏季與冬季雖然整體外圍環(huán)境輻射強度不同，但溫度場在橋梁內(nèi)部的分布規(guī)律大致相同。

（2）夏季與冬季沿腹板高度分布的溫度梯度與我國《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中規(guī)定的豎向溫度梯度不同，規(guī)范中頂板最大溫差是14℃，而夏季溫度場分析的最大溫差為16℃；規(guī)范在距離頂板以下500 mm 外范圍內(nèi)，沒有溫差效應(yīng)，而夏季溫度場分析所求的最大溫差為4.7℃，冬季為3.0℃，且未考慮極端惡劣天氣影響，因此建議在對大型橋梁設(shè)計時，酌情提高溫度梯度的幅值，保證橋梁運營過程中耐久性要求，防止溫度裂縫的出現(xiàn)。