雙肢薄壁高墩溫度效應(yīng)研究?

湯剛，楊龍，楊美良

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410001）

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雙肢薄壁高墩溫度效應(yīng)研究?

湯剛1，楊龍2，楊美良1

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙 410001）

摘要：以廣西資興（資源梅溪—興安）高速公路楊家灣大橋?yàn)槔?，研究山區(qū)砼高墩橋梁的溫度場(chǎng)，明確日照溫差對(duì)砼薄壁高墩的影響；基于MIDAS FEA有限元軟件建立楊家灣主橋整體分析模型和橋墩分析模型，研究在不同日照溫度工況下墩身中應(yīng)力的分布規(guī)律和橋墩的變形情況。結(jié)果顯示，墩身中環(huán)向應(yīng)力、豎向應(yīng)力都較大，最大拉應(yīng)力可達(dá)1.86 MPa左右，最大壓應(yīng)力可達(dá)6.78 MPa左右；橋墩墩頂?shù)钠絼?dòng)變形最大值為23 mm，扭轉(zhuǎn)變形最大值為1.528′。

關(guān)鍵詞：橋梁；雙肢薄壁高墩；溫度場(chǎng)；溫度效應(yīng)；溫度應(yīng)力

近些年，中國(guó)橋梁事業(yè)取得顯著發(fā)展，朝著大跨徑、薄壁、輕型結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展，特別是建立在險(xiǎn)峻山谷的橋梁，為了符合線路的走向，適應(yīng)橋址區(qū)地形地貌的特點(diǎn)，多采用薄壁高墩結(jié)構(gòu)。在砼高墩結(jié)構(gòu)中，雙肢薄壁高墩有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，它允許橋梁結(jié)構(gòu)有較大的縱向變位，和單肢墩相比，雙肢墩本身具有更大的整體剛度，而且支點(diǎn)彎矩峰值更小，因而可減小墩頂截面尺寸。憑借以上優(yōu)點(diǎn)，雙肢薄壁墩多應(yīng)用于山區(qū)橋梁建造中。

由于自身長(zhǎng)期所處的復(fù)雜環(huán)境，橋梁結(jié)構(gòu)不斷受到日照輻射、大氣氣溫變化等影響，且自身具有較差的熱傳導(dǎo)性能，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到陽(yáng)光照射時(shí)，結(jié)構(gòu)外表面與內(nèi)部之間形成較大溫差，由該溫差產(chǎn)生的變形受到各種阻礙時(shí)將產(chǎn)生極大的溫度應(yīng)力。大量研究表明，薄壁高墩結(jié)構(gòu)中，日照溫差效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力非常大，甚至?xí)鬼沤Y(jié)構(gòu)開裂，影響正常使用。該文以廣西資興（資源梅溪—興安）高速公路楊家灣大橋?yàn)槔?，?duì)砼高墩的溫度效應(yīng)進(jìn)行研究分析。

1　日照溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

1.1工程概況

楊家灣大橋是廣西省資興高速公路上的一座高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)梁，跨徑為（50+90+50）m（見圖1）。主梁及雙薄壁墩墩梁固結(jié)處5 m過(guò)渡段采用C55砼，薄壁墩及薄壁墩系梁采用C40砼。墩高最大為75 m，A肢與B肢間設(shè)置三道橫系梁，橋梁軸線方位角為東偏北42°。在距墩頂5 m和墩底5 m處設(shè)置2個(gè)溫度測(cè)試斷面Ⅰ、Ⅱ，各布置54個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，內(nèi)部測(cè)點(diǎn)距外表面的距離分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.9 m，B肢布置與A肢相同（見圖2）。

圖1　楊家灣大橋主橋示意圖（單位：m）

圖2　截面尺寸及溫度測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

1.2雙肢薄壁墩日照溫度場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

在夏季，在氣溫較高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈、風(fēng)速小時(shí)測(cè)試橋墩截面Ⅰ和Ⅱ沿墩身外壁板的溫度分布，測(cè)試時(shí)間為24 h。測(cè)試日的天氣情況為：最低氣溫19℃，最高氣溫35℃，風(fēng)速2.3 m/s。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖3。

圖3　橋墩各側(cè)壁板溫度沿壁厚方向的分布

1.3雙肢薄壁墩沿壁厚方向溫度分布

根據(jù)相關(guān)研究成果，在日照作用下，墩高方向溫差很小。橋墩受到日照作用，墩身截面受陽(yáng)面與內(nèi)部之間存在一定溫差，溫度梯度沿壁厚方向的分布可表示為：

式中：Toy為溫差，日照取正值；a為指數(shù)系數(shù)；y為坐標(biāo)（m）。

運(yùn)用最小二乘法原理對(duì)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，將式（1）兩邊取自然對(duì)數(shù)，得ln Ty=ln Toyay。令ln Ty=T、ln Toy=B，得T=B-ay。對(duì)各壁板最大溫差取自然對(duì)數(shù)，擬合各側(cè)壁板的溫度梯度模式，結(jié)果見表1。

表1　對(duì)各壁板最大溫差時(shí)刻沿壁厚方向的溫差取自然對(duì)數(shù)

將表1數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，擬合東北側(cè)和西南側(cè)的溫度函數(shù)，東北側(cè)14：00時(shí)為Ty=15e-8.54y；西南側(cè)16：00時(shí)為Tx=19e-10.42x。

有限元分析中，將雙肢薄壁高墩的B肢作為研究對(duì)象，根據(jù)楊家灣大橋所處地理位置和氣候條件及對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，將下午16：00時(shí)的溫度場(chǎng)取以下3種溫度工況（見圖4～5）：溫度工況一為橋墩受順橋向日照，墩身外表面與內(nèi)部溫差為19℃；溫度工況二為橋墩受橫橋向日照，墩身外表面與內(nèi)部溫差為19℃；溫度工況三為橋墩受斜橋向日照（與橫橋向接近呈45°照射），墩身外表面與內(nèi)部溫差為14℃。

圖4　太陽(yáng)輻射示意圖（單位：m）

圖5　溫度工況示意圖（單位：℃）

2　有限元分析

根據(jù)文獻(xiàn)［8］～［12］，在溫度荷載作用下，大型超靜定結(jié)構(gòu)一般采用有限元法求得其數(shù)值解。為了求得溫度應(yīng)力分布情況，這里借助有限元軟件MIDAS FEA建立該橋?qū)嶓w模型，分析橋墩日照溫度場(chǎng)，分別考慮在不同溫度工況下日照溫差作用所引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

首先按圖紙實(shí)際尺寸建立全橋和橋墩分析模型，采用映射方式將實(shí)體有限元模型劃分為六面體網(wǎng)格，對(duì)局部分析網(wǎng)格作精細(xì)劃分，單元長(zhǎng)度設(shè)置為30 cm，并賦予對(duì)應(yīng)的材料特性（見表2）；然后給模型添加約束，約束方式為承臺(tái)底部采用固結(jié)。圖6為全橋分析模型，圖7為橋墩分析模型。

表2　不同材料熱力學(xué)性能參數(shù)

圖6　全橋分析模型

圖7　橋墩分析模型

運(yùn)用MIDAS FEA程序分析橋墩溫度場(chǎng)，是通過(guò)將對(duì)流系數(shù)、環(huán)境溫度及各側(cè)溫度函數(shù)賦給邊界點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)以添加溫度荷載。由于外界環(huán)境溫度隨時(shí)間變化而不斷變化，需定義一個(gè)熱分析施工階段，在FEA程序中添加多個(gè)時(shí)間步驟，并且設(shè)置每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)為2 h，1 d分為12個(gè)時(shí)間步驟，定義兩個(gè)熱分析工況，先進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，分析在各溫度工況下橋墩的溫度分布情況，然后進(jìn)行熱應(yīng)力分析，得出應(yīng)力分布情況。

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1日照溫度作用下墩身溫度

圖8　溫度工況一作用下墩身截面Ⅰ處溫度云圖（單位：℃）

圖9　溫度工況二作用下墩身截面Ⅰ處溫度云圖（單位：℃）

由于受到陽(yáng)光直接照射，橋墩墩身向陽(yáng)側(cè)會(huì)在早上6：00后開始升溫，橋墩內(nèi)部溫度基本不變，內(nèi)外部的溫差越來(lái)越大；隨著時(shí)間的推移，橋墩墩身外表面的溫度將在某一時(shí)刻達(dá)到峰值，此時(shí)內(nèi)外部溫差達(dá)到最大。圖8和圖9分別為在溫度工況一、溫度工況二作用下雙肢薄壁墩B肢墩身截面Ⅰ處溫度云圖。

由圖8和圖9可看出：溫度工況一和溫度工況二作用下，橋墩墩身外表面與內(nèi)部之間溫差達(dá)到19℃，且溫度沿壁厚方向的分布與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常吻合，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)最大相差不超過(guò)1℃。說(shuō)明運(yùn)用MIDAS FEA模擬日照溫度場(chǎng)可行，能滿足工程計(jì)算的精度要求。

3.2日照溫度作用下墩身溫度應(yīng)力

圖10～13為在溫度工況一、溫度工況二作用下橋墩截面Ⅰ處環(huán)向、豎向溫度應(yīng)力云圖。

圖10　溫度工況一作用下墩身截面Ⅰ處環(huán)向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖11　溫度工況一作用下墩身截面Ⅰ處豎向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

對(duì)溫度應(yīng)力云圖進(jìn)行整理，提取橋墩截面Ⅰ處分別在溫度工況一、溫度工況二作用下的應(yīng)力分布，匯總截面Ⅰ處A-A和B-B截面距外表面0.9 m范圍內(nèi)應(yīng)力分布（見圖14～15）。

圖12　溫度工況二作用下墩身截面Ⅰ處環(huán)向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖13　溫度工況二作用下墩身截面Ⅰ處豎向應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖14　溫度工況一下橋墩向陽(yáng)側(cè)正應(yīng)力沿壁厚的分布

由圖14～15可看出：橋墩向陽(yáng)側(cè)外表面均受壓。溫度工況一作用下，在截面Ⅰ的向陽(yáng)側(cè)外表面處，環(huán)向、豎向正應(yīng)力出現(xiàn)最大壓應(yīng)力；距外表面0.3 m段應(yīng)力梯度較大，距外表面0.3 m處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，距外表面0.3～1.5 m段全部受拉；距向陽(yáng)側(cè)外表面1.5 m到背陽(yáng)側(cè)外表面全部受壓，應(yīng)力有所增加。溫度工況二作用下，在截面Ⅰ的向陽(yáng)側(cè)外表面處，環(huán)向、豎向正應(yīng)力出現(xiàn)最大壓應(yīng)力；距外表面0.3 m段應(yīng)力梯度較大，距外表面0.3 m處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，距外表面0.3～8.7 m段全部受拉；距向陽(yáng)側(cè)外表面8.7 m到背陽(yáng)側(cè)外表面全部受壓，應(yīng)力有所增加（見表3）。

圖15　溫度工況二下橋墩向陽(yáng)側(cè)正應(yīng)力沿壁厚的分布

表3　日照溫差引起的墩頂、截面Ⅰ和墩底處最大應(yīng)力及位置

由表3可知：環(huán)向應(yīng)力在截面Ⅰ處距向陽(yáng)側(cè)外表面0.3 m處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為1.86 MPa；在墩底截面向陽(yáng)側(cè)外表面出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，為-6.78 MPa。豎向應(yīng)力在截面Ⅰ處距向陽(yáng)側(cè)外表面0.3 m處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為1.81 MPa；在墩底截面向陽(yáng)側(cè)外表面出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，為-6.54 MPa。

3.3日照溫度對(duì)橋墩變形的影響

日照溫差作用下，橋墩墩身受陽(yáng)面外壁板與內(nèi)部之間存在較大溫差，產(chǎn)生溫度變形導(dǎo)致墩頂偏移，從而影響橋墩垂直度。計(jì)算結(jié)果表明：日照溫差引起的雙肢薄壁高墩結(jié)構(gòu)的溫差應(yīng)力和變形都較大，且溫差越大，變形越大，對(duì)施工控制不利。斜向日照時(shí)，由于有兩面同時(shí)受到日照作用，橋墩還會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形。圖16～18分別為各溫度工況作用下橋墩的整體變形云圖，表4為墩頂位移。

圖16　溫度工況一作用下橋墩順橋向位移Dx（單位：mm）

圖17　溫度工況二作用下橋墩橫橋向位移Dy（單位：mm）

從表4可看出：溫度工況一，橋墩受到順橋向日照溫度作用時(shí)，由于B肢直接接受陽(yáng)光照射，A肢被B肢完全擋住，B肢墩頂位移達(dá)到23 mm。溫度工況二，橋墩受到橫橋向日照溫度作用時(shí)，A肢和B肢墩頂產(chǎn)生的橫橋向位移相等。溫度工況三，橋墩同時(shí)受到順橋向、橫橋向日照溫度作用時(shí)，A肢和B肢墩頂平動(dòng)變形與僅受單向日照溫度作用時(shí)接近，且產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，達(dá)到1.528′。溫度工況一中B肢墩頂順橋向位移達(dá)到23 mm，大于規(guī)范容許值H/1 000（H為墩高）=20 mm，不滿足規(guī)范要求，在施工中需采取必要措施。

圖18　溫度工況三作用下橋墩位移Dxyz（單位：mm）

表4　各溫度工況作用下墩頂位移

4　結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)的分析，擬合出最大溫度梯度曲線，回歸分析得出橋址區(qū)雙肢薄壁高墩在壁板厚度方向上的溫度分布模式，橫橋向沿壁厚方向溫度函數(shù)為Ty=15e-8.54y，順橋向沿壁厚方向溫度函數(shù)為Tx=19e-10.42x。

（2）結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限元軟件MIDAS FEA對(duì)雙肢薄壁高墩溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，模擬值與擬合值、實(shí)測(cè)值相差很小，數(shù)據(jù)吻合較好，證明運(yùn)用MIDAS FEA擬合日照溫度場(chǎng)和有限元分析雙肢薄壁高墩溫度場(chǎng)可行。

（3）建立實(shí)體有限元模型分析日照溫差引起的溫度效應(yīng)，結(jié)果顯示日照溫差產(chǎn)生的應(yīng)力較大，最大拉應(yīng)力達(dá)1.86 MPa，這種溫差應(yīng)力與其他荷載的組合完全可能使砼開裂。

（4）在日照溫差作用下，墩頂位移最大可達(dá)23 mm。對(duì)于薄壁高墩，日照溫差引起的溫度應(yīng)力和變形不可忽視。

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從圖3可看出：在14：00和16：00時(shí)刻，橋墩各側(cè)壁板沿壁厚方向溫度梯度較大。14：00時(shí)東北側(cè)墩外壁與內(nèi)部之間溫差達(dá)到最值15℃，16：00時(shí)西南側(cè)墩外壁與內(nèi)部之間溫差達(dá)到最值19℃。因此，將16：00時(shí)的溫度場(chǎng)作為控制溫度，研究墩身在日照溫度作用下的應(yīng)力與變形。日照對(duì)橋墩溫度沿墩身外表面分布影響深度大致為0.9 m，但在距外表面0.6～0.9 m時(shí)變化不太明顯，距外表面0～0.6 m時(shí)溫差較大。

中圖分類號(hào)：U443.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-2668（2016）03-0147-07

基金項(xiàng)目：?湖南交通科技創(chuàng)新項(xiàng)目（201452）

收稿日期：2016-01-19