混凝土箱梁日照溫度效應研究

劉麗思，李曉章，丁浩

（1.云南交通職業(yè)技術(shù)學院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學建筑工程學院，云南 昆明 650500）

工程界發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)頻繁產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)安全隱患，每年對此類結(jié)構(gòu)進行加固、重建，造成了昂貴的經(jīng)濟開支，因此工程界針對裂縫問題展開了一系列研究，研究表明混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時不可忽視溫度作用，本文依托滇西南某工程，進行了溫度場和位移場的多物理場分析，總結(jié)混凝土箱梁的溫度應力規(guī)律，并且對溫度效應的處置措施進行研究。本文相關(guān)研究，為今后混凝土箱梁設(shè)計、養(yǎng)護提供參考價值，對日照環(huán)境下混凝土箱梁的抗裂性和耐久性具有一定的指導意義。

1 溫度場計算理論

1.1 熱傳導方程

溫度場的建立滿足質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，本文基于傅里葉熱傳導定律建立混凝土瞬態(tài)熱傳導方程，如下：

1.2 邊界條件

在自然條件下，結(jié)構(gòu)的溫度場邊界示意圖如下圖1所示[1]。上述邊界條件計算方法詳見文獻[2]。

圖1 箱梁邊界溫度荷載示意圖

2 模型建立

2.1 數(shù)值模型材料參數(shù)

本文依托工程為滇西南某簡支混凝土箱梁橋，上部混凝土箱梁截面圖如下圖2 所示。

圖2 混凝土箱梁截面圖（cm）

箱梁斷面尺寸頂板寬12m，厚0.6m，底板寬6.5m，厚0.8m，總高5.5m，懸臂長度2.75m，最外側(cè)厚0.2m，通過兩 個 倒 角1.7m×0.32m 和1.05m×0.45m 變化懸臂根部厚0.77m，腹板厚度0.8m，箱室內(nèi)倒角均為0.5m×0.5m，混凝土等級為C50。

本文研究混凝土日照溫度效應時C50 混凝土各參數(shù)取值如下表1 所示：

表1 溫度場混凝土參數(shù)取值表

2.2 邊界條件計算

根據(jù)前文分析，溫度場三種邊界計算時一般統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為對流換熱，通過綜合換熱系數(shù)將太陽總輻射量轉(zhuǎn)換為等效環(huán)境溫度。如圖3 所示，當計算箱梁外表面綜合換熱系數(shù)時，風速取當天記錄風速3m/s，箱梁各表面綜合換熱系數(shù)如下表2 所示。

表2 箱梁各表面綜合換熱系數(shù)（W/（m2·℃））

圖3 箱梁各面綜合環(huán)境溫度

3 日照效應研究

3.1 應力分析

結(jié)構(gòu)的應力大小是衡量結(jié)構(gòu)安全與否的一個重要指標，本節(jié)對日照效應產(chǎn)生的第一主應力進行研究，提取一日內(nèi)各時刻的箱梁第一主應力繪制曲線圖如下圖4所示，一日內(nèi)的日照峰值應力如圖5 所示。

圖4 應力時程圖

圖5 峰值應力云圖

由上圖4 可知，從早上6 點時刻太陽升起時會產(chǎn)生0.17MPa 的拉應力，隨著太陽升起溫度逐步升高，陰陽面腹板溫度差值增大，頂板溫度也隨之增高，到14 點時一天內(nèi)溫度最高，同時拉應力也達到最大值5.01MPa，經(jīng)過14 點時刻后，混凝土箱梁所產(chǎn)生的拉應力值逐漸減小。

由圖5 可知，混凝土箱梁一日內(nèi)產(chǎn)生的峰值拉應力為5.01MPa，可作為日后設(shè)計三向預應力箱梁時橫向和豎向預應力束的控制應力。最大拉應力位置出現(xiàn)在陽面腹板內(nèi)表面與頂板內(nèi)表面相交處的倒角位置，這是因為陽面腹板的溫度比陰面腹板溫度高，產(chǎn)生的熱膨脹就更大，與頂板熱膨脹疊加后，最大拉應力位置就會出現(xiàn)在偏陽面腹板處，不僅最大拉應力點出現(xiàn)在偏陽面腹板位置，且陰陽面腹板產(chǎn)生拉應力的區(qū)域也呈現(xiàn)出陽面腹板側(cè)偏大。

3.2 處置措施研究

研究表明將油漆涂抹至混凝土表面可對可見光和近紅外光進行高反射，改變混凝土表面輻射吸收率[3]，使物體表面吸收的太陽光能量減少，物體累積的熱量減少，達到控制結(jié)構(gòu)溫度的作用。將混凝土表面涂為白色，混凝土表面輻射吸收系數(shù)可由0.6 降低至0.12-0.16 之間[4-5]。本節(jié)假設(shè)將箱梁陽面位置涂抹為白色，其他位置顏色保持不變，來研究涂抹油漆的措施對混凝土結(jié)構(gòu)濕熱效應的控制效果。

為了研究表面涂抹白色油漆的措施對混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應的控制效果，列出箱梁在一日內(nèi)的峰值應力云圖，如下圖6 所示。

圖6 峰值應力云圖

由圖6 可知，在陽面腹板涂抹為白色后，箱梁產(chǎn)生最大拉應力的位置同樣出現(xiàn)在陽面腹板內(nèi)表面與頂板內(nèi)表面相交處的倒角位置，但應力值從5.01MPa 降低至1.66MPa，溫度應力減小了66.8%。結(jié)果說明在結(jié)構(gòu)外表面涂抹白色染料，不會改變結(jié)構(gòu)日照效應產(chǎn)生最大拉應力的位置，但能夠調(diào)節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)表面輻射吸收系數(shù)，降低結(jié)構(gòu)吸收的太陽能，有效減小日照效應產(chǎn)生拉應力的數(shù)值，達到控制混凝土溫度效應的效果。在后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計施工時，可在結(jié)構(gòu)外表面涂抹白色等淺色油漆，來達到控制混凝土溫度次內(nèi)力的作用，同時使用淺色油漆在建筑物外表面繪制圖案，使建筑物更加美觀，符合中國安全、適用、經(jīng)濟、美觀的建筑方針。

4 結(jié)論

為了研究混凝土箱梁橋的日照溫度效應，本文依托滇西南某工程，運用有限元軟件進行數(shù)值模擬，進行溫度場和位移場的多物理場分析，得到結(jié)論如下：

（1）混凝土箱梁溫度效應的變化規(guī)律是隨著一日內(nèi)太陽位置的變化而變化，隨著太陽升起而急速增大，太陽降落后又急速減??；

（2）混凝土箱梁溫度效應最大拉應力發(fā)生在陽面腹板內(nèi)表面與頂板內(nèi)表面相交的倒角位置，達到5.01MPa，可作為預應力箱梁在設(shè)計橫向預應力和豎向預應力的參考應力；

（3）在混凝土結(jié)構(gòu)外表面涂抹白色等淺色油漆，能夠有效減小溫度效應產(chǎn)生拉應力的數(shù)值，達到控制混凝土溫度效應的效果。