空心薄壁高墩的温度效应模拟分析

刘 雄， 周海波， 吴 检， 何 李

(湖南联智桥隧技术有限公司, 湖南 长沙 410199)

空心薄壁高墩的温度效应模拟分析

刘 雄， 周海波， 吴 检， 何 李

(湖南联智桥隧技术有限公司, 湖南 长沙 410199)

通过置入式混凝土温度传感器实测空心薄壁高墩内外的温度,对现场得到的温度数据进行统计分析,获取最不利的温度分布。采用ANSYS软件,用最不利温度对薄壁墩温度效应进行有限元模拟分析,了解温度场的分布,以及阳光辐射产生的温度应力和变形,从而为空心薄壁高墩的施工和线形控制提供参考。

高墩; 空心薄壁; 温度效应; 温度应力; 模拟分析

随着我国交通建设的高速发展,公路以及铁路向山区延伸,许多山区地表高差悬殊,形成大峡谷,在修建公路时,容易出现较高墩身桥梁。出于施工技术难度和经济指标的考虑,悬索桥和斜拉桥显得不经济,而高桥墩(桥墩高大于50 m)是一个不错的选择[1,2]

为满足高墩桥梁顺桥向的抗推刚度小的要求,高桥墩必须高而柔;又考虑结构受力和承载能力,墩身采用变截面[3]。基于以上要求,大跨度高墩桥梁墩身截面多采用空心薄壁桥墩。龙永高速所处地段为中亚热带山地湿润气候,四季分明,雨量充沛,温暖湿润,但是因为周边地势导致垂直温度差异悬殊,具有明显的立体气候,小气候效应非常显著。薄壁高墩大跨度结构对外界温度比较敏感,当空心薄壁墩身内外温差较大时,产生较大的温度应力和变形,对结构的稳定性和桥梁线性控制不利[1，4-8]。

现有文献表明[3，9-12],在空心薄壁高墩结构中, 由于阳光辐射温度效应所产生的温度应力,在某些情况下与恒载、活载产生的应力在同一个数量级,甚至使混凝土结构发生开裂, 导致桥梁结构损坏, 影响正常运营。

因此为确保桥梁结构的安全稳定,对空心薄壁高墩结构的温度效应进行研究,分析结构的温度应力和温度导致的变形,对指导施工控制具有非常重要的意义。

1 工程概况

龙山至永顺高速公路郑家寨大桥及苗新大桥分别位于湖南省龙山县红岩溪镇卜纳洞村及苗兴村,分别跨河流及溪沟,沟谷两侧山坡较陡,两岸山顶与沟谷底部高差达245 m。年平均气温16.5 ℃,最高气温达35 ℃。郑家寨大桥及苗新大桥桥长分别为706.16 m、286.24 m(以左右幅平均值计)。上部结构为装配式预应力混凝土连续T梁,采用先简支后连续。郑家寨大桥左右线分别为5联18跨，5联17跨,具体布置为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;苗新大桥左右线分别为1联6跨，1联8跨。下部结构为空心薄壁墩和柱式墩、桩基础。

郑家寨大桥、苗新大桥共有空心薄壁墩23个,其中等截面空心薄壁墩11个,变截面薄壁空心墩12个,高度在42.11～93.67 m之间，等截面薄壁空心墩截面尺寸有3 m×5 m、3.2 m×5.5 m两种,对应桥墩壁厚分别为50 cm、60 cm,其中顺桥向宽为3 m(3.2 m),横桥向宽5 m(5.5 m)。变截面薄壁空心墩墩顶截面尺寸为2.7 m×5 m,墩身薄以1∶100坡度向下扩大,墩身壁厚为60 cm。

2 温度场测试方案

为了获取空心薄壁高墩最不利的温度场分布,根据当地的气候特征,在墩身沿壁厚方向和墩高方向布置温度传感器,通过观测点的数据来了解空心薄壁高墩的温度场分布情况。

温度传感器采用JMT — 3B型半导体元件,灵敏度为0.1 ℃,误差控制在0.5 ℃。因为墩身截面为对称结构,选取1/4截面分析即可。每个截面布置12个温度传感器,墩身内部4个传感器等间距布置。混凝土内的传感器,预先贴在钢筋上,将导线引到模板外面,做好保护措施后再灌注混凝土,具体布置情况如图1所示。

图1 沿壁厚方向温度传感器布置图

3 不同施工阶段的温度分布测试数据分析

由于所处地方垂直温度差异悬殊,立体气候明显,空心薄壁高墩在施工过程中不同施工时刻,墩身结构与外界的接触面积不同,导致温度场分布也不同,因此,本文以90 m空心薄壁高墩为例。

3.1 沿墩厚方向的温度分布

对墩高30 m位置截面温度分布测试结果如下:

当墩身施工到50 m时,空心薄壁墩内外的温度变化趋势相同,内外温差变化不大,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点的24 h温度变化如图2所示。

图2 墩身施工到50 m时,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点的温度变化

当墩身施工到90 m未封顶时,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点的24 h温度变化如图3所示。从图2、图3中可知,空心薄壁墩内外的温度差相比施工到50 m的位置略有区别,温度差在3～5 ℃范围内。在图3中,在12:30之后,墩身表面h-1、s-1测点的温度开始下降,而墩身内表面测点h-6、s-6温度还在上升,在15:00时刻温度到达峰值,这是由于混凝土的导热性能较差,对温度的传导有滞后作用,因此墩身内部的温度比外表面较迟到达峰值。

图3 墩身施工到90 m未封顶时,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点的温度变化

当墩身施工到90 m封顶时,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点的24 h温度变化如图4所示。从图4可看出,空心薄壁墩内外的温度差别就比较明显了,在12:30时刻,温差最大,最大差值达到10 ℃左右。

图4 封顶后,墩高30 m位置h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点的温度变化

图4中温差很大主要跟墩身内外空气对流有很大关系,在墩身封顶之后,与图3施工时刻相比,墩身内外空气接触面减少,温度沿墩身传递速率比较慢,因此,墩身内外温差比封顶前其他施工时刻都要大。

通过图2～图4的温度传感器测到的数据变化曲线可知,空心薄壁墩内外的温差在墩身封顶之后最大,对墩身产生最不利的温度效应也发生在封顶之后,因此,分析封顶之后的温度效应即为桥墩所考虑的最不利温度荷载。已有研究表明受阳面温度高于背阳面,而图2～图4中桥墩横桥向布置的测点h组温度和顺桥向布置的s组相同位置温度差基本在1～2 ℃范围内,没有明显的温度差异,这主要是因为地处峡谷,空气对流比较强,使得背阳面和受阳面墩身表面温度基本相同,同一截面墩身表面四周温度分布均匀。

3.2 沿墩高方向的温度分布

由于气流的影响,混凝土空心薄壁高墩无论是白天受到太阳的辐射升温,或者夜间地面的反辐射降温,沿墩高方向温度分布比较均匀,只有墩身端部有很小的范围内温度有变化。通过实测数据得到的曲线图(图5)很好地验证了这个观点。墩高10 m处的温度时变曲线图与墩高90 m处的温度时变曲线图变化趋势一致,数据接近,说明沿墩高方向的温度分布比较均匀的,阳光辐射对墩身的温度效应基本稳定。

由于地处峡谷,墩身高处截面比低处截面先受到阳光的辐射,导致10 m处的温度与90 m处温度相比略微滞后,但是其差值不大,完全可以忽略。因此,只要每个截面沿墩厚方向温度分布基本相同,那么最不利温度效应也就基本保持一致。

图5 墩高10 m处、墩高90 m处h-1、h-6、s-1、s-6这4个测点温度时变图

4 温度效应有限元模拟分析

ANSYS 软件集结构、热、流体分析等大型有限元软件,因其强大的功能在各领域得到广泛应用。因此,空心薄壁墩的温度效应可通过ANSYS的热分析功能实现,并且ANSYS可以处理线性和非线性的热传递问题[1，2，4-8，13-15]。因为空心薄壁高墩截面形状是矩形,因此,选用四边形单元划分网格,四边形采用 PLANE7单元,网格大小0.2,建立有限元模型,如图6所示。

图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变截面的,因此,沿墩高方向选尽可能多的截面做热分析,然后将温度场等效为温度荷载施加在结构上,最大限度的真实反映空心薄壁高墩的温度效应。本文用ANSYS软件对薄壁墩墩高10 m处和墩高80 m处进行升温温度场模拟分析,限于篇幅,仅列出80 m处截面3个不同时刻的温度云图以及温度应力图。如图7、图8。

a) 早晨08：00

b) 上午12：30c) 下午16：00

根据获取的最不利温度梯度,在ANSYS软件中通过热-结构耦合功能,将温度场单元PLANE77转化为结构场单元PLANE82,同时截面上的温度信息通过材料号转换过来,将带有温度信息的截面定义为BEAM189单元的截面,从而可以计算空心薄壁高墩的阳光辐射作用下温度效应。根据最不利温度分布计算的温度应力计算结果见图8所示。由计算图7的温度云图可看出,温度沿壁厚方向的分布是非线性的,在中午时刻,温度梯度最大。图8中的温度应力沿壁厚方向的分布也是非线性的,最大温差产生的拉应力达到5.2 MPa左右。

空心薄壁墩截面面积小刚度大,但是因为壁薄,对外界应力的抵抗能力较差。图8应力云图计算结果表明阳光辐射引起的温度应力较大,若应力集中在某一截面附近,会导致墩身开裂。温度应力还会导致结构产生不均匀变形,虽然在局部范围内变形很小,但是对于薄壁高墩来说,沿着墩高方向的累积,会造成墩顶产生偏移、桥梁轴线偏位,影响桥梁结构的稳定性和线形控制,因此,墩身内外温差产生的应力和变形不可忽略,在设计与计算时须考虑温度效应的影响。

在日出前,墩身内外温差很小,温度分布均匀,温度应力和变形很小,可以忽略结构的温度效应。目前在施工过程中为了规避薄壁空心墩的温度效应,采用的是在日出前进行挂篮的立模标高和预应力张拉,虽然这一方法取得良好的效果,但是这会导致施工过程不连续,延误施工进度,因此,对空心薄壁高墩在施工过程中的温度效应进行模拟分析显得很重要。通过模拟温度分布,计算出温差应力和变形,在施工过程中,可以对控制点按计算变形产生的位移进行预先偏置,当墩身内外温度均匀分布时,控制点在均匀温度场会回到设计位置。

空心薄壁高墩产生温度应力和变形是由于阳光辐射作用导致墩身内外温差很大。为了改善墩身的受力性能,调节墩身内外的温差,降低结构温度载带来的不利影响,可以在墩身设计通气孔,使墩身内外空气对流,降低温差。

5 结论

通过现场温度传感器的实测数据和ANSYS软件有限元模拟分析,对空心薄壁高墩的温度效应进行了研究,得到如下结论:

1) 现场实测数据表明,空心薄壁高墩无论是白天或者夜间,沿墩高方向温度分布比较均匀;沿壁厚方向温度分布呈非线性变化,在近中午时刻温差最大,可达到10 ℃左右。

2) 空心薄壁高墩在阳光辐射作用下,会产生较大的温度应力,在墩顶产生较大的位移。在设计阶段,应该合理地设置通气孔和布置钢筋,尽可能地减少因为温度场产生的温度应力和变形对墩身结构的破坏。

3) 利用ANSYS软件强大的热分析功能,模拟薄壁墩的温度效应,温度分布与实测结果对比,变化趋势一致,吻合比较好,误差可以忽略不计,表明利用ANSYS模拟温度场的可靠性较好。

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