無鋪裝鋼軌道梁日照溫度場研究

黎泰良

(中鐵四院集團(tuán)西南勘察設(shè)計(jì)有限公司 云南昆明 650200)

1 概述

溫度場是隨時(shí)間和空間發(fā)生變化的場變量。不均勻的溫度場分布會使超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生自應(yīng)力和次應(yīng)力。膠輪有軌電車系統(tǒng)為一種新型的軌道交通系統(tǒng)[1-2]，采用無鋪裝鋼軌道梁結(jié)構(gòu)[3]，須嚴(yán)格控制其正常使用時(shí)的線形，而不均勻的溫度場分布會使其產(chǎn)生較復(fù)雜的溫度變形，所以需對無鋪裝鋼軌道梁結(jié)構(gòu)的日照溫度場展開研究。大量專家學(xué)者對混凝土橋墩和橋跨、有橋面鋪裝層的鋼箱梁日照溫度分布模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究[4-6]，但對無鋪裝鋼軌道梁的研究較少。本文以西南地區(qū)膠輪有軌電車鋼軌道梁項(xiàng)目為依托，研究西南地區(qū)無鋪裝鋼軌道梁溫度場的分布模式和影響因素[7-8]。

2 日照溫度場試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

橋梁溫度場分布規(guī)律與結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān)，為避免采用縮尺模型而造成尺寸效應(yīng)，本文通過足尺模型研究無鋪裝鋼軌道梁的溫度場分布，模型如圖1所示。

圖1 無鋪裝鋼軌道梁溫度場試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2.2 模型方位及測點(diǎn)布置

為獲得最大的豎向溫度梯度，本試驗(yàn)將鋼軌道梁按東西走向放置。鋼軌道梁鋼板較薄，且鋼的導(dǎo)熱性能較好，故一般不考慮鋼軌道梁板厚方向的溫度梯度[9]。研究假定無鋪裝鋼軌道梁縱橋向的溫度場均勻分布，且該鋼梁橫向尺寸較小，不需考慮橫向溫度梯度，只需分析鋼軌道梁的豎向溫度梯度，在 1＃、2＃腹板和 3＃、4＃腹板所在截面各布置一個測試截面，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖梅轿患皽y試截面

根據(jù)研究[10-12]無鋪裝鋼軌道梁腹板上的溫度分布規(guī)律為:在靠近頂板的較小區(qū)域內(nèi)，溫度迅速下降；在腹板中部，溫度基本穩(wěn)定；在靠近底板附近，溫度有小幅升高。為了能夠較準(zhǔn)確描述腹板的溫度分布，采取圖3所示的溫度測點(diǎn)布置方案。

圖3 測點(diǎn)布置(單位:mm)

2.3 測量方法

為了獲取更多的溫度數(shù)據(jù)樣本，在溫度較高的三個月對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行溫度測量，每天從6點(diǎn)至18點(diǎn)間隔半個小時(shí)測量一次。使用紅外線測溫槍測量每個測點(diǎn)的溫度，測量精度為2%，顯示分辨率為0.1℃，測量發(fā)射率設(shè)置為0.7。同時(shí)采用風(fēng)速測量儀測量風(fēng)速，水銀溫度計(jì)測量鋼梁內(nèi)部的大氣溫度，并記錄每天的天氣情況。

2.4 實(shí)測溫度數(shù)據(jù)分析

分析所有測量日的各時(shí)刻頂板及各腹板的測點(diǎn)溫度，找出溫度梯度最為顯著的五天，且這五天天氣晴朗、氣溫較高。其中某日的最大溫度梯度曲線如圖4所示。

圖4 8月4日15:00各腹板溫度梯度曲線

2.5 最大溫度梯度擬合

早期學(xué)者在研究橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場分布時(shí)，認(rèn)為其溫度場為線性分布，隨著后期研究發(fā)展，學(xué)者們逐漸認(rèn)識到橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場分布具有較為明顯的非線性特性。劉永健等總結(jié)提出了溫度梯度曲線的三種形式[10]。對于鋼箱梁溫度梯度的曲線擬合，張玉平[11]等采用指數(shù)曲線擬合頂板向下1 m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。李國強(qiáng)[12]等采用的溫度梯度曲線形式為梁底板0.3 m以上溫度梯度分布指數(shù)曲線。

為了使擬合曲線更具有代表性，選取所有測量成果最大溫度梯度時(shí)刻繪圖分析，如圖5所示。圖5的橫坐標(biāo)為各測點(diǎn)相對于腹板上溫度最低點(diǎn)的相對溫度(℃)，由各實(shí)測溫度梯度曲線的各點(diǎn)溫度減去該曲線中的最小溫度得出；縱坐標(biāo)為相對高度(mm)，取頂板上表面的縱坐標(biāo)為0 mm，頂板上表面向下的縱坐標(biāo)均為負(fù)值。

圖5 多天實(shí)測最大溫度梯度擬合結(jié)果

由圖5可知，靠近頂板0.4 m范圍內(nèi)的腹板溫度梯度變化顯著，呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)型下降趨勢，對應(yīng)的區(qū)域采用指數(shù)函數(shù)對頂板上表面向下922 mm的區(qū)域進(jìn)行擬合。腹板下半部分到底板下表面的溫度變化大致為線性，采用一次函數(shù)對底板下表面向上278 mm的區(qū)域進(jìn)行擬合。擬合采用Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法。指數(shù)函數(shù)各參數(shù)的擬合結(jié)果為T0＝17.95，α＝217.88。α為計(jì)算參數(shù)，其值與季節(jié)等因素有關(guān)，R2＝0.965 05較接近于1。一次函數(shù)各參數(shù)的擬合結(jié)果為a＝-0.007 81，b＝-6.937 2，R2＝0.616 34。指數(shù)函數(shù)和一次函數(shù)的擬合結(jié)果繪制于圖5中。

最終得到的無鋪裝軌道鋼箱梁最大溫度梯度曲線:

3 有限元模型分析

3.1 模型建立

在無鋪裝鋼軌道梁中，只需考慮鋼梁截面的豎向溫度梯度，故可采用ANSYS有限元軟件建立二維有限元模型計(jì)算。單元類型為具有二維熱傳導(dǎo)能力的平面單元PLANE55。模型考慮翼緣板的遮蔽效應(yīng)，以確定結(jié)構(gòu)各個面的太陽輻射強(qiáng)度。在初始時(shí)刻通過穩(wěn)態(tài)熱分析施加初始條件，之后通過瞬態(tài)熱分析施加邊界條件。

3.2 計(jì)算值與實(shí)測值對比分析

通過對所有實(shí)測溫度梯度數(shù)據(jù)分析，找出溫度梯度規(guī)律最為顯著的四天(8月4日、8月9日、8月27日、9月7日)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)日最大溫度梯度均出現(xiàn)在3＃腹板上(受翼緣板遮擋)。圖6為8月4日3＃腹板最大溫度梯度計(jì)算值和實(shí)測溫度梯度曲線對比圖。

圖6 8月4日3＃腹板計(jì)算與實(shí)測溫度梯度

4 日照溫度場影響參數(shù)敏感性分析

4.1 模型建立及結(jié)果分析

在進(jìn)行無鋪裝鋼軌道梁日照溫度場參數(shù)敏感性分析之前，需要確定一組標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，以便于與參數(shù)改變后的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比。根據(jù)本項(xiàng)目觀測實(shí)測數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)材料特性，標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)取值見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算參數(shù)

以標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為基礎(chǔ)，單獨(dú)改變各參數(shù)大小，改變幅度取±10%、±20%、±30%。注意:太陽輻射吸收率最大取值為1.0?？傻酶鲄?shù)單獨(dú)變化時(shí)引起的日最大溫度梯度的變化，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 各參數(shù)敏感性分析結(jié)果

由圖7可知，對最大溫度梯度幾乎沒有影響的參數(shù)有:比熱容、截面高度；對最大溫度梯度影響較小的參數(shù)有:頂?shù)装搴穸?、腹板厚度、截面寬度；對最大溫度梯度影響較大的參數(shù)有:導(dǎo)熱系數(shù)、日平均風(fēng)速、翼緣板長度；對最大溫度梯度影響最大的參數(shù)為太陽輻射吸收率。各因素對最大溫度梯度的影響規(guī)律如下:

(1)由圖7可知，在比熱容即使發(fā)生+30%左右的變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大變化僅為-0.5%，可見比熱容對最大溫度梯度幾乎無影響。

(2)在截面高度即使發(fā)生+30%變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大變化為+1.1%，可見截面高度對最大溫度梯度幾乎無影響。

(3)在腹板厚度發(fā)生-30%變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大變化為+4.4%，可見腹板板厚對最大溫度梯度的影響較小。

(4)在頂?shù)装搴穸劝l(fā)生-30%變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大變化為-2.7%，可見頂?shù)装灏搴駥ψ畲鬁囟忍荻鹊挠绊戄^小。

(5)在導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生-30%左右的變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大變化+7.1%，可見導(dǎo)熱系數(shù)對最大溫度梯度影響較大。導(dǎo)熱系數(shù)越小，熱量沿腹板豎向傳遞越慢，而頂板一直接受太陽直射的熱量，導(dǎo)致頂板熱量積聚，所以導(dǎo)熱系數(shù)越小，頂板溫度越高，豎向溫度梯度越大。

(6)在截面寬度發(fā)生+30%變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大值變化+4.9%，可見截面寬度對最大溫度梯度的影響較小。

(7)在日平均風(fēng)速發(fā)生-30%變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大值變化+7.7%，可見日平均風(fēng)速對最大溫度梯度的影響較大。風(fēng)速的改變主要對對流換熱系數(shù)和綜合大氣溫度的計(jì)算有影響，風(fēng)速越大，鋼梁與空氣的對流換熱越顯著，對流換熱系數(shù)和綜合換熱系數(shù)越大，綜合大氣溫度越小。風(fēng)速越大，空氣將帶走一部分鋼梁的熱量，頂板面無任何對風(fēng)起阻擋作用的障礙物，故頂板面相對于腹板中下部的溫度降的更多。

(8)在翼緣板長度發(fā)生+10%變化時(shí)，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大值變化-13.1%，可見翼緣板長度對最大溫度梯度的影響較大。在頂板上表面向下0～0.5 m范圍內(nèi)，溫度迅速降低，這是由于翼緣板遮擋了太陽直接輻射；0.5～1.2 m范圍內(nèi)，腹板受到太陽直接輻射，溫度又迅速升高。上、下翼緣板越長，頂?shù)装宓氖軣崦娣e越大，頂?shù)装鍦囟仍礁撸瑫r(shí)翼緣板在腹板豎向產(chǎn)生的陰影遮擋越長，腹板最低溫度點(diǎn)越靠下，則腹板最低溫度點(diǎn)的溫度也越低，所以溫度梯度也越大。

(9)當(dāng)太陽輻射吸收率取0.75時(shí)，即太陽輻射吸收率為-16.7%，計(jì)算得到的非均勻溫度梯度最大值變化-17.5%，可見太陽輻射吸收率對最大溫度梯度影響最大，太陽輻射吸收率越大，各面內(nèi)溫度越高，頂板的溫度增加更明顯，豎向溫度梯度也越大。

4.2 減小豎向溫度梯度措施

經(jīng)本項(xiàng)目研究，對最大溫度梯度影響顯著的參數(shù)有四種:導(dǎo)熱系數(shù)、日平均風(fēng)速、翼緣板長度、太陽輻射吸收率。

(1)導(dǎo)熱系數(shù)主要與鋼梁所用的鋼材有關(guān)，在鋼梁設(shè)計(jì)及加工完成后，將難以改變，故無法通過改變導(dǎo)熱系數(shù)來降低溫度梯度。

(2)風(fēng)速越大，鋼梁與空氣對流換熱越顯著，空氣將帶走一部分鋼梁的熱量，頂板上表面無任何對風(fēng)起阻擋作用的障礙物，故頂板上表面相對于腹板中下部的溫度降的更多，最大溫度梯度越小。所以減少頂板上表面對風(fēng)起阻擋作用的障礙物能有效減小最大溫度梯度。

(3)上、下翼緣板越長，頂?shù)装宓氖軣崦娣e越大，頂?shù)装鍦囟仍礁?，同時(shí)翼緣板在腹板豎向產(chǎn)生的陰影遮擋越長，腹板最低溫度點(diǎn)越靠下，且腹板最低溫度點(diǎn)的溫度也越低，所以溫度梯度也越大。在實(shí)際工程中，可以通過減小鋼軌道梁翼緣板的長度來減小最大溫度梯度。

(4)太陽輻射吸收率越大，頂?shù)装逦盏臒崃吭蕉?，?＃腹板全天不受太陽照射，頂?shù)装迮c3＃腹板溫度最低點(diǎn)的溫度梯度越大。采用白色或者淺色涂裝來減小太陽輻射吸收率，從而減小最大溫度梯度。

5 結(jié)論

(1)通過對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行連續(xù)三個月的溫度測量，選取溫度梯度分布較明顯的五日進(jìn)行分析，得出無鋪裝鋼軌道梁的各腹板溫度梯度分布規(guī)律。

(2)最大溫度梯度出現(xiàn)的時(shí)間段為12:00至16:00，位于全天均被翼緣板遮擋的3＃腹板上。

(3)最大溫度梯度的實(shí)測曲線具有較為明顯的非線性特征，溫度梯度曲線呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)變化的趨勢，通過對所有測量數(shù)據(jù)組進(jìn)行擬合，得到了鋼軌道梁最大溫度梯度曲線。

(4)通過建立有限元模型得到鋼軌道梁的計(jì)算溫度梯度曲線，經(jīng)比較與實(shí)測溫度梯度曲線吻合度較好。

(5)通過改變參數(shù)的取值進(jìn)行敏感性分析，發(fā)現(xiàn)對最大溫度梯度影響最為顯著的參數(shù)為太陽輻射吸收率、翼緣板長度和日平均風(fēng)速。

(6)通過采用白色或淺色涂裝、減小翼緣板長度和減少頂板表面對風(fēng)起阻擋作用的障礙物的措施能有效地減小鋼軌道梁的最大溫度梯度。