摘　要: 以觀音沙大橋為背景,通過實驗測試和計算分析,尋求有普遍意義的溫度場分布規(guī)律和大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中的溫度效應(yīng). 應(yīng)用有限元軟件ANSYS對溫度場進(jìn)行模擬,分析了太陽輻射、風(fēng)速等邊界條件和導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等計算參數(shù)對溫度場的影響,并提出了相應(yīng)的建議值. 模擬計算的溫度場與實測溫度場吻合得較好,根據(jù)模擬的溫度場進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算所得的應(yīng)力和撓度也與實測值相當(dāng)吻合,從而可以利用當(dāng)?shù)貧庀缶謱崪y的氣象數(shù)據(jù)來實時模擬混凝土箱梁溫度場并進(jìn)行溫度場的溫度效應(yīng)分析.

關(guān)鍵詞: 溫度場; 連續(xù)剛構(gòu)橋; 監(jiān)測; 溫度場模擬; 溫度效應(yīng)分析

中圖分類號: U 448. 35; U 446. 2　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

　　現(xiàn)有的橋梁規(guī)范只對一個地區(qū)最不利的溫度場做出了規(guī)定,而沒有提出鋼筋混凝土箱梁溫度場的變化規(guī)律[ 1 ] ,但事實上一年中絕大部分時間箱梁溫度場并不處于最不利狀態(tài),根據(jù)規(guī)范并不能處理需要考慮溫度場的時間歷程的情況. 大跨度橋梁的施工周期一般很長,經(jīng)歷季節(jié)的更替、寒暑易節(jié),溫度場的變化對結(jié)構(gòu)的影響很復(fù)雜,研究溫度場的變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)非常必要[ 2 ] . 本文中以觀音沙大橋為背景,用實驗測試和計算分析的方法,尋求珠三角地區(qū)秋冬季節(jié)有普遍意義的溫度場分布規(guī)律和大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程中的溫度效應(yīng).

1　觀音沙大橋的溫度監(jiān)測

　　觀音沙大橋是京珠北線廣州(新洲)至番禺(坦尾)段高速公路上的一座大型橋梁. 主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),跨徑組合為65m + 2 ×120m +65m. 在觀音沙大橋的施工過程中,在順橋方向右幅3號T構(gòu)上布置了兩個溫度監(jiān)測斷面,共40 個測點. 其中1#塊左右腹板沿梁高各布設(shè)9個測點, 6#塊左右腹板沿梁高各布設(shè)7個測點. 混凝土內(nèi)部溫度采用鎳鉻- 鎳硅K型熱電偶測量,箱內(nèi)和箱外大氣溫度采用水銀溫度計測量[ 324 ] . 如圖1、2所示.

　　　為了減少測量誤差和處理數(shù)據(jù)的方便,取1#截

面的102、108和109號測點的平均值,并記為A1 ;取104、105和106號測點的平均值,并記為A2. 選擇晴天、突遇寒流的降溫天氣和寒流消退后的回暖天氣這3種典型天氣狀況下的箱梁溫度分布. 限于篇幅,測試結(jié)果只列出晴天溫度場的分布,見圖3～6.

2　溫度場仿真分析

2. 1　仿真分析的基本假定現(xiàn)作如下假定:

　　(1)不考慮鋼筋的存在對混凝土導(dǎo)熱性能的影響,假定混凝土材料為均質(zhì)的,且各向同性;

　　(2)假定混凝土材料各物理參數(shù)與溫度無關(guān);

　　(3)假定梁體具有相同的初始溫度[ 2 ] .

2. 2　溫度場模擬

　　應(yīng)用通用有限元程序ANSYS的熱分析功能模擬結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場. 用ANSYS熱分析邊界條件中的對流模擬箱梁與空氣介質(zhì)的對流換熱,用熱分析中的點面輻射模擬箱梁與空氣介質(zhì)間的輻射換熱[ 2 ] ,太陽直接輻射、散射輻射、地面反射輻射和地表輻射用ANSYS熱分析的面載荷模擬[ 5 ] ,計算模型如圖7所示.

　　本文中所用風(fēng)速和太陽輻射強度資料來自廣州市番禺區(qū)氣象局. 該氣象局在距離橋梁現(xiàn)場約3 km處有一座自動采集站,用于記錄每分鐘的氣溫、風(fēng)速、濕度、可見度和云層高度等氣象信息. 值得指出的是,該采集站的風(fēng)速儀位于距離地面2m左右的位置,即記錄的風(fēng)速為地面以上2m左右高度的風(fēng)速值,而觀音沙大橋3號T構(gòu)的箱梁高程在20. 5～27. 2m之間,所以風(fēng)速應(yīng)按高度進(jìn)行修正[ 5 ] .

　　以晴天為例,把早晨6: 00實測的溫度分布作為初始溫度場. 太陽輻射強度按氣象局實測的確定,箱外風(fēng)速按氣象局實測值放大4倍確定,箱內(nèi)風(fēng)速按1m / s確定, 其他的參數(shù)選取如下: 導(dǎo)熱系數(shù)取3. 5W / (m·K) ,比熱c取960 J / ( kg·K) ,密度ρ取2 400 kg/m3 ,吸收系數(shù)αb 取0. 65. 通過有限元程序ANSYS可以計算出箱梁的溫度分布情況,見圖8.

2. 3　計算參數(shù)的影響

　　溫度場模擬是基于熱傳導(dǎo)微分方程和相應(yīng)的定解條件的,其中熱傳導(dǎo)微分方程和定解條件的處理

包含一系列的參數(shù). 這些參數(shù)對溫度分布存在不同程度的影響[ 526 ] ,本文中定性地研究了不同計算參數(shù)對溫度場的影響程度.

2. 3. 1　風(fēng)速

　　風(fēng)速對橋梁結(jié)構(gòu)溫度場的影響是通過對流換熱系數(shù)施加的. 不同的風(fēng)速對應(yīng)不同的對流換熱系數(shù),而不同的對流換熱系數(shù)用來模擬結(jié)構(gòu)物與外界不同程度的對流熱交換[ 7 ] . 為了分析不同風(fēng)速對溫度場的影響,本文中作如下處理:考慮晴天的情況,輻射邊界條件按氣象局實測的太陽輻射強度考慮,外表面的對流換熱系數(shù)用氣象局提供的風(fēng)速分別乘以放大系數(shù)2、3和4計算,其它參數(shù)不變. 結(jié)果如圖9所示.

　　從圖9比較2倍風(fēng)速與4倍風(fēng)速的計算結(jié)果可知,在同一時刻,溫度最大相差10 K以上. 這說明風(fēng)速對溫度場影響很大,在溫度場的模擬計算中,風(fēng)速的準(zhǔn)確與否是決定模擬精度的因素之一.

2. 3. 2　導(dǎo)熱系數(shù)

　　導(dǎo)熱系數(shù)越大,表明熱傳導(dǎo)性能越好,溫度達(dá)到平衡的時間就越短. 現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料[ 527 ]關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)的取值存在較大的差異,而且這個系數(shù)不易確定,本文中通過取不同的值來討論導(dǎo)熱系數(shù)對溫度場的影響. 箱外風(fēng)速按放大4倍確定,除導(dǎo)熱系數(shù)外,其

它參數(shù)不變. 結(jié)果見圖10.

　　由圖10可知,導(dǎo)熱系數(shù)越小,各點的溫度峰值越大,而極小值越小. 這說明導(dǎo)熱系數(shù)越小,混凝

土材料的溫度分布越不均勻,即溫度梯度的非線性越明顯,從而導(dǎo)致更大的溫度應(yīng)力. 由圖中曲線可知, 取3. 5W·(m ·K) - 1時計算結(jié)果跟實測結(jié)果較為接近,表明對于珠三角地區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)取不小于3. 5W·(m·K) - 1的值較為合適.

2. 3. 3　比熱

　　現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料[ 728 ]關(guān)于混凝土比熱的取值也存在較大的差異,且這個參數(shù)不易測定,本文中通過計算討論比熱的合理取值范圍. 計算參數(shù)的確定除了比熱外,其它參數(shù)不變.

　　由圖11 可知,比熱c 分別取900、960、1 000J / ( kg·K)時,計算結(jié)果沒有明顯差異. 這表明對于珠三角地區(qū)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋,混凝土比熱在900～1 000 J / ( kg·K)之間取值都是合理的.

3　溫度效應(yīng)分析

　　采用ANSYS的熱分析功能模擬結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場,然后將結(jié)構(gòu)計算和實測值進(jìn)行對比.

3. 1　應(yīng)力實測值和計算值的比較

　　除溫度外,影響應(yīng)力的因素較多,具體有待進(jìn)一步研究[ 5, 8 ] . 另外,溫度變化影響應(yīng)力的變化需要時間過程,實測值要比計算值滯后. 假定不明確的因素對上下緣縱向應(yīng)力的影響程度相當(dāng)[ 9 ] ,采用頂板和底板上下緣應(yīng)力差來進(jìn)行對比較為合理,結(jié)果如圖12所示.

3. 2　撓度實測值和計算值的比較

　　橋梁施工到15#塊時, 15#和14#梁段前端的溫度撓度的計算值與實測值比較如圖13所示,撓度以向下為正.

　　由圖13可以得到,溫度引起的撓度計算值與實測值有相似的變化規(guī)律,但是,實測值要比計算值滯后. 造成實測撓度比計算撓度偏差大的原因是實測撓度包含了墩梁固結(jié)處的轉(zhuǎn)動引起的主梁附加撓度,而計算模型沒有考慮這部分撓度. 天氣晴朗的上午,在太陽輻射的影響下,墩梁固結(jié)處的轉(zhuǎn)動使主梁產(chǎn)生向上的附加撓度,負(fù)的附加撓度和主梁的彎曲變形疊加導(dǎo)致了上午的實測撓度比計算撓度小;隨著太陽高度角的變化,主梁的附加撓度由向上變?yōu)橄蛳?附加撓度和主梁自身的彎曲變形疊加使梁端在下午的實測撓度比計算撓度大. 可見,由于主梁附加撓度的存在使得上午的實測撓度比計算撓度小,下午的實測撓度比計算撓度大. 因此,在溫度場結(jié)構(gòu)計算模型中必須把柔性墩考慮進(jìn)去. 在施工監(jiān)控時,對不同溫度場下的立模標(biāo)高的確定,除根據(jù)計算的結(jié)果外,還需考慮溫度效應(yīng)的滯后. 橋梁成橋、鋪完橋面鋪裝后,還需考慮橋面鋪裝對箱梁溫度場的影響[ 10 ] .

4　結(jié)論

　　本文中介紹了一種基于當(dāng)?shù)貧庀缶謱崪y的氣象數(shù)據(jù)模擬混凝土箱梁溫度場的方法,并分析了部分參數(shù)對計算結(jié)果的影響. 通過本文中的分析有如下結(jié)論: (1)當(dāng)混凝土的材料參數(shù)確定之后,根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶值臍庀筚Y料就可以模擬出較高精度混凝土箱梁溫度場,這對于減少溫度的監(jiān)測工作,完善混凝土箱梁的設(shè)計理論具有重要的意義; ( 2)風(fēng)速對混凝土箱梁溫度場影響很大,風(fēng)速應(yīng)按高度進(jìn)行修正. 如何確定風(fēng)速沿高度的分布有待進(jìn)一步研究. 對于珠三角地區(qū)的混凝土箱型梁橋,混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)取值以不小于3. 5W / (m·K)較為合適. 混凝土比熱在900～1 000 J / ( kg·K)之間取值都是合理的; (3)溫度對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁的應(yīng)力和撓度均有較大的影響,在橋梁設(shè)計和施工以及施工監(jiān)控中均應(yīng)考慮溫度的影響并采取相應(yīng)的對策. 在施工監(jiān)控時,對不同溫度場下的立模標(biāo)高的確定,除根據(jù)計算的結(jié)果外,還需考慮溫度效應(yīng)的滯后.

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