π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)溫度荷載分析

韓磊 方圓

摘要 π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)為敞口薄板結(jié)構(gòu)，其溫度分布特性與傳統(tǒng)橋梁可能存在較大差異，現(xiàn)有規(guī)范中溫度荷載模型對樁板式結(jié)構(gòu)存在一定的適用性問題。文章利用ANSYS有限元模型分析π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)溫度場分布特征，基于規(guī)范模型分別對升、降溫工況的溫度荷載模型進(jìn)行優(yōu)化，采用優(yōu)化后溫度荷載模型計算π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)，并與規(guī)范模型進(jìn)行了對比。研究表明：提出的正溫差模型與規(guī)范模型大致相同，但負(fù)溫差模型通過考慮了肋部上下明顯溫差，相較于規(guī)范模型，能更好地反映π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)的溫度荷載效應(yīng)分布特點。

關(guān)鍵詞 樁板式道路；π形斷面；溫度梯度；溫度效應(yīng)；溫度荷載模型

中圖分類號 TV544文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0081-03

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)長期承受外界溫度變化、太陽輻射等因素影響，導(dǎo)致混凝土構(gòu)件溫度分布復(fù)雜，且各處溫度不斷變化。構(gòu)件中出現(xiàn)明顯溫度梯度變化，以產(chǎn)生溫度自應(yīng)力和溫度次應(yīng)力，對橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用極為不利[1]。

國內(nèi)外對不同結(jié)構(gòu)的溫度分布及其荷載展開了一些研究。部分研究人員通過試驗對不同尺寸的T梁溫度分布進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)等比例放大對溫差影響較為明顯，而僅在高度發(fā)生變化時才對結(jié)構(gòu)內(nèi)溫差影響較小[2～4]。已有研究中大多關(guān)注結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，缺乏基于氣象參數(shù)對結(jié)構(gòu)影響方面的研究，導(dǎo)致敏感氣象時間段的溫度場研究出現(xiàn)空白，因此需要基于長時間溫度場的計算，獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場及應(yīng)力場分布規(guī)律。此外，不同結(jié)構(gòu)形式對溫度的傳遞規(guī)律有明顯差別，例如閉口結(jié)構(gòu)和敞口結(jié)構(gòu)在溫度傳遞方面就存在很大差異。為了對樁板式道路結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)進(jìn)行研究，該文以合樅高速公路為依托開展π形開口斷面的溫度荷載研究。

1 結(jié)構(gòu)特點

合樅高速公路是國內(nèi)首次采用大跨度樁板式道路結(jié)構(gòu)的工程。這種結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為12 m，由預(yù)制管柱、預(yù)制蓋梁和預(yù)制π形梁板拼裝組成。其采用π形斷面預(yù)制梁結(jié)構(gòu)，單片寬度為3.17 m，肋板寬度為0.30 m，中板翼緣板厚度為0.22 m，見圖1。在π形梁板內(nèi)設(shè)置先張預(yù)應(yīng)力鋼絞線提高結(jié)構(gòu)承載能力。標(biāo)準(zhǔn)斷面寬度為12.75 m，由四塊π板組成。

預(yù)制梁板與蓋梁之間采用濕接縫連接，形成墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)。下部結(jié)構(gòu)由3根直徑800 mm的高強度預(yù)制管柱組成。

2 溫度荷載研究方法

2.1 熱傳導(dǎo)基本理論

Fourier熱傳導(dǎo)微分方程為時間t及三維坐標(biāo)（x，y，z）之間的函數(shù)關(guān)系，如式（1）：

經(jīng)過大量實驗，可以看出縱向的溫度分布較小，因此得到式（2）算式：

式中，α——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)；T——混凝土溫度。

2.2 溫度場計算邊界條件[2]

計算邊界條件主要考慮對流邊界和輻射邊界，普通混凝土對流系數(shù)由風(fēng)速計算得到式（3）：

式中，hc，i——第i時間步混凝土總對流換熱系數(shù)；vi——第i時間步的平均風(fēng)速。

瀝青混凝土對流系數(shù)由風(fēng)速，瀝青表面溫度及大氣溫度決定，見式（4）：

式中，hr，i——第i時間步瀝青對流換熱系數(shù)；Ts，i——第i時間步計算得到的瀝青表面溫度；Ta，i——第i時間步的大氣溫度。

3 樁板式道路結(jié)構(gòu)溫度場分析

求解溫度場需要材料以及邊界兩個重要熱學(xué)參數(shù)。材料參數(shù)是指密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等。邊界參數(shù)是初始溫度、輻射量、流體溫度等。部分參數(shù)需通過系列測試得出。

3.1 材料參數(shù)

由于試驗條件限制，在對溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬分析時，綜合考慮試驗結(jié)果、現(xiàn)有研究經(jīng)驗值[3]等確定材料熱學(xué)參數(shù)，見表1。

3.2 平面溫度場模型的建立

橋梁受太陽輻射沿縱向變化很小，故將橋梁由三維轉(zhuǎn)為二維建立溫度場模型，劃分后的π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)見圖2。

模型中建立包括初始溫度、熱輻射及對流荷載等邊界條件，其中，將熱輻射轉(zhuǎn)化為對流熱交換形式，即將熱交換系數(shù)和空氣綜合溫度施加到有限元模型中[4]。

3.3 平面溫度場分析

最大溫差時刻，π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)的溫度分布云圖見圖3。

由計算結(jié)果可知，升溫工況下，在20：00時截面豎向正溫差最大，頂板溫度最高達(dá)49.1 ℃，主梁底部溫度最低達(dá)33.7 ℃。降溫工況下，在9：00時截面負(fù)溫差最大，頂板內(nèi)部溫度最高可達(dá)?3.5 ℃，主梁底部溫度最低達(dá)?7.3 ℃。

4 樁板式道路溫度荷載模型研究

溫度梯度反映了截面最不利溫度分布形式，進(jìn)行溫度場計算的目的就是為了獲得最大溫度梯度[5]。提取各工況溫差最大時刻下π形梁截面頂板至主梁底部節(jié)點的溫度，見圖4。

基于現(xiàn)有規(guī)范的梯度溫度荷載模式，將溫度曲線根據(jù)距頂板0.4 m位置處歸零計算，得到截面豎向正反溫差曲線見圖5。從圖5可知，計算獲得的豎向正溫差與規(guī)范規(guī)定十分接近，而負(fù)溫差曲線則有較大的不同。因此，可以認(rèn)為，正溫差梯度溫度模型仍可遵循規(guī)范的溫度荷載模式進(jìn)行取值，但負(fù)溫差梯度溫度模型則需按照實際得出的溫差曲線進(jìn)行修改校正。

5 樁板式道路結(jié)構(gòu)溫度響應(yīng)分析

為了與規(guī)范規(guī)定的梯度溫度取值的計算結(jié)果進(jìn)行比較分析，基于計算的梯度溫度荷載值，采用Midas Civil有限元軟件建立樁板式結(jié)構(gòu)整橋（7×12 m）空間桿系模型。

5.1 撓度變形比較

利用現(xiàn)有規(guī)范及該文模型，分別計算7×12 m跨徑的π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)的最大變形情況，見表2。由表2可知，由規(guī)范溫度荷載模型計算得到的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)總體偏小，與該文模型偏差在15%～18%之間。

5.2 應(yīng)力比較

π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力情況對比，見表3。

由表3可知，梯度升溫情況下，截面上緣受壓，規(guī)范模型的計算結(jié)果較該文模型偏大6%；截面下緣在主梁聯(lián)端受壓、跨中處受拉，規(guī)范模型的計算結(jié)果較該文模型偏小13%。梯度降溫情況下，對于主梁截面上緣，由規(guī)范模型計算結(jié)果為受拉，與實際情況不符，且規(guī)范計算的上緣拉應(yīng)力偏大，且大于該文模型3.5倍；而采用該文模型計算結(jié)果為主梁聯(lián)端受壓、跨中受拉，且最大拉應(yīng)力僅為0.4 MPa，與實際情況更相符；而對于截面下緣，各模型計算結(jié)果均為聯(lián)端受拉、跨中受壓，且應(yīng)力值基本相同。

6 結(jié)論

對π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)溫度荷載分布特性進(jìn)行了分析，基于規(guī)范提出了適用于對應(yīng)的溫度荷載模型。主要研究結(jié)論如下：

（1）根據(jù)π形斷面樁板式道路結(jié)構(gòu)計算溫度場擬合溫度曲線，推薦的正溫差溫度曲線與規(guī)范模型較為接近；由于π形斷面散熱較快，推薦的負(fù)溫差模型與規(guī)范模型有所差別。

（2）升溫工況下，推薦模型計算的計算結(jié)果較規(guī)范模型上緣應(yīng)力略偏小、下緣應(yīng)力略偏大；梯度降溫情況下，采用規(guī)范模型的截面上緣應(yīng)力計算結(jié)果明顯偏大且與結(jié)構(gòu)實際受力不符，而截面下緣基本相同。

參考文獻(xiàn)

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