空心薄壁高墩的溫度效應(yīng)模擬分析

劉 雄， 周海波， 吳 檢， 何 李

(湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410199)

空心薄壁高墩的溫度效應(yīng)模擬分析

劉 雄， 周海波， 吳 檢， 何 李

(湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410199)

通過(guò)置入式混凝土溫度傳感器實(shí)測(cè)空心薄壁高墩內(nèi)外的溫度,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,獲取最不利的溫度分布。采用ANSYS軟件,用最不利溫度對(duì)薄壁墩溫度效應(yīng)進(jìn)行有限元模擬分析,了解溫度場(chǎng)的分布,以及陽(yáng)光輻射產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和變形,從而為空心薄壁高墩的施工和線形控制提供參考。

高墩; 空心薄壁; 溫度效應(yīng); 溫度應(yīng)力; 模擬分析

隨著我國(guó)交通建設(shè)的高速發(fā)展,公路以及鐵路向山區(qū)延伸,許多山區(qū)地表高差懸殊,形成大峽谷,在修建公路時(shí),容易出現(xiàn)較高墩身橋梁。出于施工技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的考慮,懸索橋和斜拉橋顯得不經(jīng)濟(jì),而高橋墩(橋墩高大于50 m)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇[1,2]

為滿足高墩橋梁順橋向的抗推剛度小的要求,高橋墩必須高而柔;又考慮結(jié)構(gòu)受力和承載能力,墩身采用變截面[3]。基于以上要求,大跨度高墩橋梁墩身截面多采用空心薄壁橋墩。龍永高速所處地段為中亞熱帶山地濕潤(rùn)氣候,四季分明,雨量充沛,溫暖濕潤(rùn),但是因?yàn)橹苓叺貏?shì)導(dǎo)致垂直溫度差異懸殊,具有明顯的立體氣候,小氣候效應(yīng)非常顯著。薄壁高墩大跨度結(jié)構(gòu)對(duì)外界溫度比較敏感,當(dāng)空心薄壁墩身內(nèi)外溫差較大時(shí),產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形,對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和橋梁線性控制不利[1，4-8]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)表明[3，9-12],在空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)中, 由于陽(yáng)光輻射溫度效應(yīng)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,在某些情況下與恒載、活載產(chǎn)生的應(yīng)力在同一個(gè)數(shù)量級(jí),甚至使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)裂, 導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)損壞, 影響正常運(yùn)營(yíng)。

因此為確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定,對(duì)空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)進(jìn)行研究,分析結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力和溫度導(dǎo)致的變形,對(duì)指導(dǎo)施工控制具有非常重要的意義。

1 工程概況

龍山至永順高速公路鄭家寨大橋及苗新大橋分別位于湖南省龍山縣紅巖溪鎮(zhèn)卜納洞村及苗興村,分別跨河流及溪溝,溝谷兩側(cè)山坡較陡,兩岸山頂與溝谷底部高差達(dá)245 m。年平均氣溫16.5 ℃,最高氣溫達(dá)35 ℃。鄭家寨大橋及苗新大橋橋長(zhǎng)分別為706.16 m、286.24 m(以左右幅平均值計(jì))。上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁,采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)。鄭家寨大橋左右線分別為5聯(lián)18跨，5聯(lián)17跨,具體布置為4×40 m+3×40 m+3×40 m+3×40 m+5×40 m，4×40 m+3×40 m+3×40 m+3×40 m+4×40 m;苗新大橋左右線分別為1聯(lián)6跨，1聯(lián)8跨。下部結(jié)構(gòu)為空心薄壁墩和柱式墩、樁基礎(chǔ)。

鄭家寨大橋、苗新大橋共有空心薄壁墩23個(gè),其中等截面空心薄壁墩11個(gè),變截面薄壁空心墩12個(gè),高度在42.11～93.67 m之間，等截面薄壁空心墩截面尺寸有3 m×5 m、3.2 m×5.5 m兩種,對(duì)應(yīng)橋墩壁厚分別為50 cm、60 cm,其中順橋向?qū)挒? m(3.2 m),橫橋向?qū)? m(5.5 m)。變截面薄壁空心墩墩頂截面尺寸為2.7 m×5 m,墩身薄以1∶100坡度向下擴(kuò)大,墩身壁厚為60 cm。

2 溫度場(chǎng)測(cè)試方案

為了獲取空心薄壁高墩最不利的溫度場(chǎng)分布,根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?在墩身沿壁厚方向和墩高方向布置溫度傳感器,通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)了解空心薄壁高墩的溫度場(chǎng)分布情況。

溫度傳感器采用JMT — 3B型半導(dǎo)體元件,靈敏度為0.1 ℃,誤差控制在0.5 ℃。因?yàn)槎丈斫孛鏋閷?duì)稱結(jié)構(gòu),選取1/4截面分析即可。每個(gè)截面布置12個(gè)溫度傳感器,墩身內(nèi)部4個(gè)傳感器等間距布置。混凝土內(nèi)的傳感器,預(yù)先貼在鋼筋上,將導(dǎo)線引到模板外面,做好保護(hù)措施后再灌注混凝土,具體布置情況如圖1所示。

圖1 沿壁厚方向溫度傳感器布置圖

3 不同施工階段的溫度分布測(cè)試數(shù)據(jù)分析

由于所處地方垂直溫度差異懸殊,立體氣候明顯,空心薄壁高墩在施工過(guò)程中不同施工時(shí)刻,墩身結(jié)構(gòu)與外界的接觸面積不同,導(dǎo)致溫度場(chǎng)分布也不同,因此,本文以90 m空心薄壁高墩為例。

3.1 沿墩厚方向的溫度分布

對(duì)墩高30 m位置截面溫度分布測(cè)試結(jié)果如下:

當(dāng)墩身施工到50 m時(shí),空心薄壁墩內(nèi)外的溫度變化趨勢(shì)相同,內(nèi)外溫差變化不大,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的24 h溫度變化如圖2所示。

圖2 墩身施工到50 m時(shí),墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化

當(dāng)墩身施工到90 m未封頂時(shí),墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的24 h溫度變化如圖3所示。從圖2、圖3中可知,空心薄壁墩內(nèi)外的溫度差相比施工到50 m的位置略有區(qū)別,溫度差在3～5 ℃范圍內(nèi)。在圖3中,在12:30之后,墩身表面h-1、s-1測(cè)點(diǎn)的溫度開(kāi)始下降,而墩身內(nèi)表面測(cè)點(diǎn)h-6、s-6溫度還在上升,在15:00時(shí)刻溫度到達(dá)峰值,這是由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差,對(duì)溫度的傳導(dǎo)有滯后作用,因此墩身內(nèi)部的溫度比外表面較遲到達(dá)峰值。

圖3 墩身施工到90 m未封頂時(shí),墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化

當(dāng)墩身施工到90 m封頂時(shí),墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的24 h溫度變化如圖4所示。從圖4可看出,空心薄壁墩內(nèi)外的溫度差別就比較明顯了,在12:30時(shí)刻,溫差最大,最大差值達(dá)到10 ℃左右。

圖4 封頂后,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化

圖4中溫差很大主要跟墩身內(nèi)外空氣對(duì)流有很大關(guān)系,在墩身封頂之后,與圖3施工時(shí)刻相比,墩身內(nèi)外空氣接觸面減少,溫度沿墩身傳遞速率比較慢,因此,墩身內(nèi)外溫差比封頂前其他施工時(shí)刻都要大。

通過(guò)圖2～圖4的溫度傳感器測(cè)到的數(shù)據(jù)變化曲線可知,空心薄壁墩內(nèi)外的溫差在墩身封頂之后最大,對(duì)墩身產(chǎn)生最不利的溫度效應(yīng)也發(fā)生在封頂之后,因此,分析封頂之后的溫度效應(yīng)即為橋墩所考慮的最不利溫度荷載。已有研究表明受陽(yáng)面溫度高于背陽(yáng)面,而圖2～圖4中橋墩橫橋向布置的測(cè)點(diǎn)h組溫度和順橋向布置的s組相同位置溫度差基本在1～2 ℃范圍內(nèi),沒(méi)有明顯的溫度差異,這主要是因?yàn)榈靥帊{谷,空氣對(duì)流比較強(qiáng),使得背陽(yáng)面和受陽(yáng)面墩身表面溫度基本相同,同一截面墩身表面四周溫度分布均勻。

3.2 沿墩高方向的溫度分布

由于氣流的影響,混凝土空心薄壁高墩無(wú)論是白天受到太陽(yáng)的輻射升溫,或者夜間地面的反輻射降溫,沿墩高方向溫度分布比較均勻,只有墩身端部有很小的范圍內(nèi)溫度有變化。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的曲線圖(圖5)很好地驗(yàn)證了這個(gè)觀點(diǎn)。墩高10 m處的溫度時(shí)變曲線圖與墩高90 m處的溫度時(shí)變曲線圖變化趨勢(shì)一致,數(shù)據(jù)接近,說(shuō)明沿墩高方向的溫度分布比較均勻的,陽(yáng)光輻射對(duì)墩身的溫度效應(yīng)基本穩(wěn)定。

由于地處峽谷,墩身高處截面比低處截面先受到陽(yáng)光的輻射,導(dǎo)致10 m處的溫度與90 m處溫度相比略微滯后,但是其差值不大,完全可以忽略。因此,只要每個(gè)截面沿墩厚方向溫度分布基本相同,那么最不利溫度效應(yīng)也就基本保持一致。

圖5 墩高10 m處、墩高90 m處h-1、h-6、s-1、s-6這4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)變圖

4 溫度效應(yīng)有限元模擬分析

ANSYS 軟件集結(jié)構(gòu)、熱、流體分析等大型有限元軟件,因其強(qiáng)大的功能在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此,空心薄壁墩的溫度效應(yīng)可通過(guò)ANSYS的熱分析功能實(shí)現(xiàn),并且ANSYS可以處理線性和非線性的熱傳遞問(wèn)題[1，2，4-8，13-15]。因?yàn)榭招谋”诟叨战孛嫘螤钍蔷匦?因此,選用四邊形單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格,四邊形采用 PLANE7單元,網(wǎng)格大小0.2,建立有限元模型,如圖6所示。

圖6 空心薄壁墩有限元模型

由于空心薄壁高墩截面沿墩高方向是變截面的,因此,沿墩高方向選盡可能多的截面做熱分析,然后將溫度場(chǎng)等效為溫度荷載施加在結(jié)構(gòu)上,最大限度的真實(shí)反映空心薄壁高墩的溫度效應(yīng)。本文用ANSYS軟件對(duì)薄壁墩墩高10 m處和墩高80 m處進(jìn)行升溫溫度場(chǎng)模擬分析,限于篇幅,僅列出80 m處截面3個(gè)不同時(shí)刻的溫度云圖以及溫度應(yīng)力圖。如圖7、圖8。

a) 早晨08：00

b) 上午12：30c) 下午16：00

根據(jù)獲取的最不利溫度梯度,在ANSYS軟件中通過(guò)熱-結(jié)構(gòu)耦合功能,將溫度場(chǎng)單元PLANE77轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)場(chǎng)單元PLANE82,同時(shí)截面上的溫度信息通過(guò)材料號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái),將帶有溫度信息的截面定義為BEAM189單元的截面,從而可以計(jì)算空心薄壁高墩的陽(yáng)光輻射作用下溫度效應(yīng)。根據(jù)最不利溫度分布計(jì)算的溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8所示。由計(jì)算圖7的溫度云圖可看出,溫度沿壁厚方向的分布是非線性的,在中午時(shí)刻,溫度梯度最大。圖8中的溫度應(yīng)力沿壁厚方向的分布也是非線性的,最大溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到5.2 MPa左右。

空心薄壁墩截面面積小剛度大,但是因?yàn)楸诒?對(duì)外界應(yīng)力的抵抗能力較差。圖8應(yīng)力云圖計(jì)算結(jié)果表明陽(yáng)光輻射引起的溫度應(yīng)力較大,若應(yīng)力集中在某一截面附近,會(huì)導(dǎo)致墩身開(kāi)裂。溫度應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻變形,雖然在局部范圍內(nèi)變形很小,但是對(duì)于薄壁高墩來(lái)說(shuō),沿著墩高方向的累積,會(huì)造成墩頂產(chǎn)生偏移、橋梁軸線偏位,影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和線形控制,因此,墩身內(nèi)外溫差產(chǎn)生的應(yīng)力和變形不可忽略,在設(shè)計(jì)與計(jì)算時(shí)須考慮溫度效應(yīng)的影響。

在日出前,墩身內(nèi)外溫差很小,溫度分布均勻,溫度應(yīng)力和變形很小,可以忽略結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)。目前在施工過(guò)程中為了規(guī)避薄壁空心墩的溫度效應(yīng),采用的是在日出前進(jìn)行掛籃的立模標(biāo)高和預(yù)應(yīng)力張拉,雖然這一方法取得良好的效果,但是這會(huì)導(dǎo)致施工過(guò)程不連續(xù),延誤施工進(jìn)度,因此,對(duì)空心薄壁高墩在施工過(guò)程中的溫度效應(yīng)進(jìn)行模擬分析顯得很重要。通過(guò)模擬溫度分布,計(jì)算出溫差應(yīng)力和變形,在施工過(guò)程中,可以對(duì)控制點(diǎn)按計(jì)算變形產(chǎn)生的位移進(jìn)行預(yù)先偏置,當(dāng)墩身內(nèi)外溫度均勻分布時(shí),控制點(diǎn)在均勻溫度場(chǎng)會(huì)回到設(shè)計(jì)位置。

空心薄壁高墩產(chǎn)生溫度應(yīng)力和變形是由于陽(yáng)光輻射作用導(dǎo)致墩身內(nèi)外溫差很大。為了改善墩身的受力性能,調(diào)節(jié)墩身內(nèi)外的溫差,降低結(jié)構(gòu)溫度載帶來(lái)的不利影響,可以在墩身設(shè)計(jì)通氣孔,使墩身內(nèi)外空氣對(duì)流,降低溫差。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)溫度傳感器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和ANSYS軟件有限元模擬分析,對(duì)空心薄壁高墩的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究,得到如下結(jié)論:

1) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,空心薄壁高墩無(wú)論是白天或者夜間,沿墩高方向溫度分布比較均勻;沿壁厚方向溫度分布呈非線性變化,在近中午時(shí)刻溫差最大,可達(dá)到10 ℃左右。

2) 空心薄壁高墩在陽(yáng)光輻射作用下,會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力,在墩頂產(chǎn)生較大的位移。在設(shè)計(jì)階段,應(yīng)該合理地設(shè)置通氣孔和布置鋼筋,盡可能地減少因?yàn)闇囟葓?chǎng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和變形對(duì)墩身結(jié)構(gòu)的破壞。

3) 利用ANSYS軟件強(qiáng)大的熱分析功能,模擬薄壁墩的溫度效應(yīng),溫度分布與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,變化趨勢(shì)一致,吻合比較好,誤差可以忽略不計(jì),表明利用ANSYS模擬溫度場(chǎng)的可靠性較好。

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