鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)計(jì)算軟件研發(fā)

陳 釩,廉虎山,趙國(guó)軍,王 超

(中電建路橋集團(tuán)有限公司,北京 100048)

1 引言

混凝土空心薄壁高墩橋梁在地表高差懸殊的山嶺重丘區(qū)以及陡坡深谷地貌環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用?；A(chǔ)頂面至墩頂?shù)木嚯x超過(guò)50m的橋墩被稱為高墩,墩高60m以上多采用混凝土空心薄壁墩?；炷量招谋”诙帐懿痪鶆蛉照諟囟鹊挠绊戄^大,由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能差,周圍環(huán)境氣溫及太陽(yáng)輻射等作用將使橋墩表面溫度迅速上升或下降,但橋墩內(nèi)部的溫度往往仍處于原來(lái)的狀態(tài)或變化不大,從而在混凝土結(jié)構(gòu)中形成了較大的溫度梯度。由此產(chǎn)生的溫度變形,當(dāng)被結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外約束阻礙時(shí),會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的溫度應(yīng)力。研究表明在空心橋墩中存在相當(dāng)大的溫差,在壁厚為0.25m的矩形薄壁空心橋墩中,當(dāng)墩內(nèi)外的氣溫差只有2-3℃時(shí),橋墩內(nèi)外表面的溫差可以達(dá)到15℃以上[1,2]。在氣溫較高及太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)溫差將更大,將產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力。因此在設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,對(duì)空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)進(jìn)行分析是十分必要的。

目前,鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)等問(wèn)題的分析多采用商業(yè)有限元軟件。商業(yè)有限元軟件功能強(qiáng)大,計(jì)算精度較高,但操作復(fù)雜,需要較高的橋梁專業(yè)基礎(chǔ)及有限元知識(shí),適用人群較小。本計(jì)算軟件編制的目的正是為了使更廣大的橋梁工作人員能夠較為簡(jiǎn)便的分析鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)等問(wèn)題。利用本軟件只需掌握基本的橋梁知識(shí),不需要建立復(fù)雜的有限元模型,只需輸入基本參數(shù)就能得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 軟件概述

為方便工程人員對(duì)鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)的計(jì)算分析,編制此軟件。工程人員將橋梁基本信息,包括橋梁名、橋梁所在地經(jīng)度與緯度、計(jì)算日期、當(dāng)?shù)氐乩須庀蟓h(huán)境、橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)等輸入軟件窗口界面,軟件系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本參數(shù)進(jìn)行內(nèi)部建模計(jì)算,最后以圖片、文本等格式輸出計(jì)算結(jié)果。

該軟件能夠有效、快速、可靠、無(wú)誤的完成上述操作,且軟件界面簡(jiǎn)單明了,易于操作。

軟件提供兩種不同精度的計(jì)算結(jié)果,一種為一維溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化模型[3],該模型通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)熱傳導(dǎo)邊界條件的合理簡(jiǎn)化,推導(dǎo)出解析方法,使用ANSYS的APDL可編程語(yǔ)言編寫的計(jì)算程序,但并沒(méi)有用到ANSYS的任何有限元分析功能。該方法計(jì)算速度快,結(jié)果形式簡(jiǎn)單,為坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的溫度分布。另一種分析方法為二維平面有限元分析,該方法通過(guò)對(duì)ANSYS有限元軟件的二次開發(fā),采用有限元方法計(jì)算溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力分布,可以通過(guò)網(wǎng)格劃分的尺寸控制計(jì)算精度。計(jì)算時(shí)可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行選擇。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)見圖1。

3 軟件主要功能

3.1 主界面——計(jì)算方法選擇

該軟件共提供兩種計(jì)算方法,第一種為精細(xì)化建模計(jì)算方法,需要輸入橋墩截面尺寸,按照平面問(wèn)題計(jì)算橋墩截面的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)；第二種為簡(jiǎn)化計(jì)算方法,改方法用于計(jì)算混凝土橋墩沿壁厚方向的溫度場(chǎng)效應(yīng),為一維溫度場(chǎng)分析。通過(guò)點(diǎn)擊主界面右下角的控制按鈕即可選擇需要的計(jì)算方法,并計(jì)入計(jì)算界面。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 簡(jiǎn)化計(jì)算

簡(jiǎn)化計(jì)算主要界面橋梁模型參數(shù)及基本信息輸入見圖2。

圖2 簡(jiǎn)化計(jì)算界面橋梁模型參數(shù)及基本信息輸入

(1)橋梁基本信息輸入

在截面右上端基本信息輸入欄輸入橋梁基本信息,主要有橋梁名稱、計(jì)算日期、所在地緯度、橋墩外法線方位角、日輻射總量、最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、大氣透明系數(shù)、地面環(huán)境短波反射系數(shù)等。

其中日期為擬計(jì)算溫度效應(yīng)的日期；所在地緯度指的是北緯度數(shù)；橋墩外法線方位角為要計(jì)算的橋墩表明外法線與正北方的夾角；日輻射總量單位為MJ/m2,可通過(guò)查氣象資料得知,如果未知,輸為零(輸入零時(shí),日輻射總量根據(jù)大氣透明度系數(shù)計(jì)算得知；如果輸入數(shù)據(jù)不為零則根據(jù)輸入的日輻射總量計(jì)算大氣透明度系數(shù))；最高溫度、最低溫度為當(dāng)日橋梁所處位置的最高氣溫與最低氣溫；地面環(huán)境短波反射系數(shù),一般取0.2,積雪地面取0.7。

(2)輸入模型參數(shù)

在左下角模型參數(shù)輸入欄輸入模型基本信息。主要有材料導(dǎo)熱系數(shù)、材料密度、材料比熱容、需要計(jì)算的橋墩的壁厚、模型表面太陽(yáng)短波輻射吸收率、黑體輻射系數(shù)、模型表面輻射率、厚度方向單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)、計(jì)算時(shí)間間隔數(shù)、傅里葉級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)等。其中,厚度方向單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)為模型建立時(shí),單元網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)量；計(jì)算時(shí)間間隔數(shù)為溫度場(chǎng)結(jié)果的時(shí)間間隔數(shù)(如輸入25,計(jì)算結(jié)果從0值24小時(shí)每隔1小時(shí)輸出一次,共計(jì)25次；如輸入49,計(jì)算結(jié)果從0值24小時(shí)每隔0.5小時(shí)輸出一次,共計(jì)49次)；傅里葉級(jí)數(shù)項(xiàng)數(shù)為計(jì)算過(guò)程中傅里葉變換時(shí)采用級(jí)數(shù)長(zhǎng)度,一般選取4即可滿足計(jì)算精度要求。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在右下角數(shù)據(jù)存儲(chǔ)欄選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置,點(diǎn)擊生成數(shù)據(jù)文件,即可將以上輸入數(shù)據(jù)以文本形式保存,文件名即為輸入的橋梁名稱。

(4)溫度場(chǎng)計(jì)算

點(diǎn)擊計(jì)算按鈕,彈出橋梁輸出選擇窗口,選擇要計(jì)算的橋梁數(shù)據(jù)(即第三步保存的數(shù)據(jù)),并輸入輸出結(jié)果文件名,點(diǎn)擊計(jì)算,即可得到溫度場(chǎng)結(jié)果。溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)以文本形式保存,保存的位置即為導(dǎo)入的橋梁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置。數(shù)據(jù)第一列為時(shí)間,第二列及以后各列為沿厚度方向的溫度值。

3.3 精細(xì)化建模

3.3.1 橋梁基本信息輸入

在界面右上角輸入橋梁基本信息(圖3),包括橋梁名稱(建議使用英文或拼音),橋軸線方位角,所在地經(jīng)度、緯度等。其中橋軸線方位角為橋梁軸線走向與正北方的夾角,順時(shí)針為正。然后再右下角位置處選擇項(xiàng)目存儲(chǔ)位置,點(diǎn)擊模型建立按鈕進(jìn)入建模界面。

圖3 橋梁基本信息輸入

3.3.2 輸入天文地理?xiàng)l件

在天文地理?xiàng)l件欄輸入橋梁所處位置的天文地理?xiàng)l件參數(shù)(圖4)。主要有地面環(huán)境短波反射系數(shù)、大氣及地表環(huán)境輻射率、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、計(jì)算日期等。各參數(shù)的選取同簡(jiǎn)化計(jì)算中參數(shù)選取。

圖4 橋梁天文地理?xiàng)l件輸入

3.3.3 模型建立

(1)截面數(shù)據(jù)讀入

如有以往建立的截面時(shí),可直接讀入,如沒(méi)有,新建截面信息。尺寸輸入欄輸入截面基本尺寸,截面名稱即為數(shù)據(jù)保存的文件名,各截面參數(shù)依據(jù)左側(cè)圖示輸入；對(duì)于已經(jīng)有上部結(jié)構(gòu)的橋墩,上部結(jié)構(gòu)的遮陰效果對(duì)橋梁溫度場(chǎng)有一定影響,上部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)欄考慮了上部結(jié)構(gòu)造成的影響。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)各輸入尺寸的圖示,依據(jù)圖示輸入上部結(jié)構(gòu)各參數(shù)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)欄,選擇截面數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的位置,生成截面數(shù)據(jù)。

圖5 截面建立界面

點(diǎn)擊完成按鈕,返回模型建立窗口。

在截面參數(shù)窗口選擇待計(jì)算的截面,點(diǎn)擊適用按鈕,即可成功導(dǎo)入截面。點(diǎn)擊顯示截面特性按鈕即可查看所選截面特性[4-7]。

圖6 截面特性瀏覽

(2)材料數(shù)據(jù)輸入

如有以往建立的材料數(shù)據(jù)時(shí),可直接讀人,如沒(méi)有時(shí),新建材料。依次輸入材料名稱、材料密度、材料泊松比、材料彈性模量、材料線膨脹系數(shù)、材料導(dǎo)熱系數(shù)、材料比熱容、模型表面輻射率、模型表面太陽(yáng)短波輻射吸收率等基材料參數(shù),選擇數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置,點(diǎn)擊生成材料數(shù)據(jù)按鈕,即可生成材料數(shù)據(jù)。

圖7 材料特性輸入及查看界面

點(diǎn)擊完成按鈕返回模型建立界面,在材料輸入欄選擇要計(jì)算得材料類型,點(diǎn)擊適用,材料選擇完畢。點(diǎn)擊顯示材料特性即可查看所選材料的物理參數(shù)。

3.3.4 溫度場(chǎng)分析

在截面輸入欄選擇要分析的截面,在材料輸入欄選擇截面材料,在結(jié)果存儲(chǔ)位置欄選擇溫度場(chǎng)結(jié)果存儲(chǔ)的位置,點(diǎn)擊溫度場(chǎng)分析按鈕,軟件將依據(jù)選擇的截面及材料建立平面模型,分析截面溫度場(chǎng),分析過(guò)程較為復(fù)雜,耗時(shí)一般在15至20分鐘之間,軟件將在結(jié)果存儲(chǔ)路徑下建立以橋梁名稱命名的文件夾存儲(chǔ)溫度場(chǎng)分析結(jié)果數(shù)據(jù)。由于過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大,建議計(jì)算前硬盤要有足夠的剩余空間(4G以上)[8-10]。

計(jì)算完成后,點(diǎn)擊結(jié)果查看按鈕,進(jìn)入結(jié)果查看界面。

在截面輸入欄選擇要分析的截面,在材料輸入欄選擇截面材料,點(diǎn)擊溫度場(chǎng)分析按鈕,軟件將依據(jù)選擇的截面及材料建立平面模型,分析截面溫度場(chǎng),分析過(guò)程較為復(fù)雜,耗時(shí)一般在15至20分鐘之間,軟件將在項(xiàng)目存儲(chǔ)路徑下建立以橋梁名稱命名的文件夾存儲(chǔ)溫度場(chǎng)分析結(jié)果數(shù)據(jù)。由于過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大,建議計(jì)算前硬盤要有足夠的剩余空間(4G以上)。

結(jié)果查看

在溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)讀入欄選擇要查看的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)(即第三步中保存的溫度場(chǎng)結(jié)果數(shù)據(jù)),右側(cè)文件欄顯示的后綴為“.temp”文件即為溫度計(jì)算結(jié)果文件,文件名后四位數(shù)字表示溫度場(chǎng)結(jié)果對(duì)應(yīng)的時(shí)間,如tlr0430表示4點(diǎn)30分時(shí)截面各點(diǎn)的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。選擇要查看的溫度場(chǎng)結(jié)果,點(diǎn)擊溫度場(chǎng)查看按鈕,即可得到該時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布圖,如圖8所示。點(diǎn)擊顯示初始圖形按鈕顯示截面單元網(wǎng)格劃分圖。

3.3.5 溫度應(yīng)力分析

選擇要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算的溫度數(shù)據(jù),輸入應(yīng)力計(jì)算基準(zhǔn)溫度,即可對(duì)該溫度場(chǎng)下的截面應(yīng)力進(jìn)行分析運(yùn)算。在計(jì)算結(jié)果中可以查看X、y、Z方向應(yīng)力云圖(圖9)。溫度場(chǎng)結(jié)果與應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果同時(shí)會(huì)以文本形式保存在結(jié)果文件夾中。

4 結(jié)論

采用本軟件進(jìn)行大量的空心薄壁高橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)的計(jì)算。并通過(guò)實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證,證明了該計(jì)算方法快捷方便,計(jì)算結(jié)果滿足工程實(shí)際要求。

圖8 結(jié)果查看界面——溫度場(chǎng)分析結(jié)果查看

圖 9 應(yīng)力分析結(jié)果查看