大跨混凝土箱梁温度场分析.pdf
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1、第 3 3卷 第 1期 2 0 1 1年 2月 土 木 建 筑 与 一 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l 。Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V 0 1 3 3 N o 1 Feb 2 O1 1 大跨混凝土箱梁温度场分析 张亮亮 , 杨 磊 , 杨转运 , 赵艳青h m, 刘 会。 ( 1 重庆大学 a 土木 X - 程学院; b 山地城镇建设与新技术教育部 重点 实验室,重庆 4 0 0 0 4 5 ; 2 四川 建 筑职 业 技 术 学 院 , 四
2、 川 德 阳 6 1 8 0 0 0 ) 摘 要 : 针 对 困扰 工程设 计 的混凝 土箱 梁温度 分 布及 温度应 力 问题 , 以某 双线特 大桥 为 背景 , 基 于 箱梁表 面热交换平衡理 论 的预 应力 箱 梁温度 场数 值仿 真 和现 场 实测 的对 比分 析 , 以此 来得到 较 为 准确的混凝 土箱梁壁厚 温差 的梯 度 模 式。通 过对 比分 析 结果表 明 , 基 于箱 梁表 面热 交换 平衡 理 论 的 温度 场数值仿 真能客观模 拟 实际边界条件 , 具有较 高的计 算精度 , 可以很好 的 满足 实际 Y - 程 的设 计 分析要 求, 进 而 以温度 场数值仿 真
3、为基 础 , 利 用 ANS YS二 次开发技 术 , 开发 出了与 ANS YS风格 一 致的针 对预 应 力混凝土 温度 场 的可视 化汉化模 块 , 实例 计算表 明 , 该可视 化 汉化模 块 能很 好 的应 用 于实际 , 能够提 高 7 - 作效 率。 关键 词 : 混凝 土箱 梁; 温度场 ; 温度荷载 ; 二次 开发 中图分 类号 : U4 4 1 , 5 文献标 志码 : A 文章编 号 : 1 6 7 4 4 7 6 4( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 3 6 0 7 Te mp e r a t u r e Fi e l d An a l y s i s o f Lo
4、 n g - s p a n Co n c r e t e BO X Gi r d e r s ZHANG L i a n g - l i a n g 。 。, Y ANG L e i 。 , 。, Y ANG Zh u a n y u n 。 , Z HAO Ya n q i n g 。 。 LI U Hu i 。 ( 1 a Fa c ul t y of Ci v i l Eng i n e e r i n g; 1 b Ke y La bo r a t o r y of Ne w Te c h n ol og y f or Co ns t r u c t i on o f Ci t i
5、e s i n M o un t a i n Ar e a, M i r n i s t r y o f Edu c a t i o n, Ch on gq i ng Uni v e r s i t y, Cho n gqi n g 40 00 45, PR Chi n a: 2 Si c h ua n Co l l e g e of Ar c hi t e c t u r a l Te c h no l og y, De y a ng 6l 8 00 0, Si c h ua n P RCh i na ) Ab s t r a c t :Ta ki n g a t wo l a ne e x
6、t r a l a r g e b r i d g e a s s a mp l e, i t i s t o a n a l y z e t he r e a l t i me t he r m a l f i e l d a n d t he r m a l e f f e c t on a l on g s pa n p r e s t r e s s e d c o nc r e t e b ox g i r d e r The o bt a i ne d d a t a i s c o mp a r e d wi t h t he s i mu l a t i on whi c h
7、i s b a s e d on a ba l a nc i n g t he o r y of t e mpe r a t u r e d i s t r i bu t i on s a nd e x c ha ng e i n b o x gi r de r e x t e r i o r s ur f a c e s The r e s u l t s s ho w t ha t t h e p r o po s e d me t h o d c a n e m u l a t e t h e a c t u a l b o un d a r y c o n d i t i o n s
8、p r e c i s e l y,i t c a n s at i s f y t he de s i g n a n a l y s i s r e q u i r e m e nt o f t he pr a c t i c e e ng i ne e r i n g Ba s e d o n t he e m u l a t i o n o f t h e t e mpe r a t u r e f i e l d,wi t h t h e ANSYS s e c on d a r y de ve l o pme nt t e c hn ol o g y,FEM mod u l e s
9、 a r e d e v e l o pe d t o a n a l y z e t he t he r m a l f i e l d of t he pr e s t r e s s e d c o nc r e t e b ox gi r de r b r i d ge s The pr e s e nt e xa mpl e s s ho w -t ha t t he d e v e l o pe d mod u l e s a r e e f f e c t i ve a nd u s e f u 1 Ke y wo r d s :c o n c r e t e b ox g i
10、r d e r s ;t e mpe r a t u r e f i e l d;t e mpe r a t u r e l oa d;s e c on da r y d e v e l op me n t 混凝 土桥梁 在现代桥 梁工程 的建设 中 占有 重 要 地位 。而统计表 明 , 由于箱 形 梁具 有 抗 弯抗 扭 刚 度 大 、 截 面效 率系数 高 、 承载力 大等优 点 , 在 近 2 o年修 建 的混凝 土桥梁 结 构 中 , 混 凝 土箱 形 梁是 大 跨径 预 应 力混凝 土连续梁 桥和连续 刚构桥 主要 的梁截 面形 式 。工 程界基 于 工 程 热 传 导 理 论 和
11、 现 场 观 测 数 收 稿 日期 : 2 0 1 O 0 5 1 8 基 金 项 目 : 重 庆 大学 “ 2 1 1工 程 ” 三期 创 新人 才 培 养 计划 建 设 项 目( 5 0 9 1 0 5 ) 作 者 简 介 : 张 亮亮 ( 1 9 5 6 一 ) , 男 , 教 授 , 博 士 生 导师 , 主要 从 事 桥 梁 结 构研 究 , ( E ma i l ) 2 1 1 2 0 0 5 1 0 1 2 6 c0m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 张亮 亮 , 等 : 大跨 混凝 土箱 梁温度 场分析 3 7 据 , 对 混 凝
12、土箱 梁 作 了 许 多研 究 工 作l 2 。 , 对 于 这类 桥梁来说 , 长期 经受 自然界 气 温的变 化 和 日辐 射 、 寒 流降温 等激烈 作 用 , 其 表 面 与 内部 各 点 的 温 度 随 时 随刻都在 发生 变化 。但 由于混凝 土 材料 的热 传 导性 能差 , 混 凝土箱 梁 在 太 阳辐 射 或 骤 然 降 温 引起 的温 度变 化作用 下 , 箱 梁结 构表 面温度 迅 速上 升 或下 降 , 但结 构 内部大部 分 区域 仍处 于原 来 的温 度 状 态 , 在 外界 连续 的热 流作 用 和 混 凝 土 对 温 度 的 滞 后 反 应 下 , 混凝 土 结
13、 构 内 的温 度 呈 非线 性 分 布 , 从 而 在 箱梁 中形成 较 大 的温度 梯 度 。 由于未 充分 考虑 温度 对混凝土箱梁 的影响 , 设计上认 为无拉 应力 的全 预应 力混凝 土箱梁桥经 常出现一些 严重 的裂缝 , 有 的桥梁 甚至被迫停运修复 , 造成 了重大 的经 济损失口 。 为 了能较 严 密考 虑 影 响 温 度 分 布 的 因 素 , 首 先 根据箱 梁表 面温 度 分 布 的分 析 理 论 , 全 面 考 虑 箱 梁 表面温 度 与 太 阳 辐 射 、 结 构 几 何 尺 寸 、 所 处 地 理 位 置 、 桥梁 方位 、 所用 材料物 理特 性和 当地 气
14、 候条 件 等 参 数之 问 的关 系 , 模 拟 计算 箱 梁在 不 同温 度 荷 载 作 用 下 的温度场 , 并 将 计算 结 果 与 实 测 数 据 进行 对 比 分 析 。然 后 , 对 ANS YS进 行二 次 开 发 , 将 复 杂 的操 作分 析 步骤封 装 称 为用 户 自己 的 程序 , 得 到 基 于计 算混 凝 土箱梁 温 度 场 的 图形 用 户 界 面 程 序 。最 后 , 利用 AN S YS中编制 的模块 对箱 梁 壁 厚方 向 的温度 梯度 模式 进行 了 研究 , 得 到不 同板 厚 下 的 温差 指数 函数 , 为今 后规 范 的修 订提 供参考 。 1
15、混凝土箱梁温度场 的数值模拟 混 凝 土箱梁 内部 的热传 导可 忽 略纵 向 的温度 梯 度 , 主要在箱 梁横 截面 内进行 , 可 按平 面 问题 计算 混 凝土箱 梁 温 度 场 。对 混凝 土箱 梁进 行 温 度 场 数 值分析 , 首先 需确定 考虑 环境 条件 、 几 何材 料 和地 理 位置与 走 向等 因素 的箱梁 热 交 换 边 界 条 件 , 然 后 将 其施加 在热力 学有 限元 模型 上进行 温度 场 的计 算 。 1 1箱梁外 表面 边界分 析 对 于任 意无 内热 源 物 体 不 稳 定 温 度 场 , 其 有 限 元 计算 的基本 微分 方程 _ 】 为 a T
16、a T 、 aT 【 十Ia v z ,f f : o= = :T( a c , , z , ) ( 2 ) A l 一 q ( ) ( 3 a ) d l ,一 ( ) 一 T ( 3 b ) 其 中 : 式 ( 1 ) 为 Fo u r i e r导 热 微分 方 程 ; 式 ( 2 ) 为 初始 条件 ; 式 ( 3 a ) 为第 2类 边 界 条 件 ;式 ( 3 b ) 为第 3类 边界 条件 ; I 1 表 示 物 体边 界 ; q ( )为 已知 的边 界 上 的热 流密 度 函数 ; h为综合 热 交换 系数 ; T o ( )为 外 界空 气温 度 ; 其 它参数 意义 详见
17、文 献 1 1 。 混凝 土桥梁 结 构 与 外界 的热 交 换 , 不 仅 有 来 自 太 阳辐射 的热 流 , 还有 与周 围 环境 之 间 的对 流 和 辐 射热 交换 , 因此 处 于 自然 界 的 混凝 土箱 梁 其 边 界 条 件 为上 述第 2类 和 第 3类 边 界 条 件 的组 合 , 可 以表 示 为 _ a T I r h e r ( f ) 一 T 十 q ( ) c , 为 了计算 的方 便 , 通 常将式 ( 4 ) 的组 合边 界 条件 转 换成 同一类 边 界 条件 , 可 以将 其 转 换成 第 3类 边 界条 件 , 令 T ( )一 ( ) + , 公 式
18、表示 为 : , l 一 T ( ) 一 T ( 5 ) T1 从式 ( 5 ) 可 以看 出 , 要 准确合 理 地模 拟混 凝 土箱 梁 复杂 的热交 换 边 界条 件 , 必 须 根 据 桥址 所 处 的地 理位 置 以及气 象条件 等 因素通过 适 当 的数学 模 型较 为准 确 的描述式 ( 5 ) 中的综 合 热 交换 系数 h和 当量 空气 温度 T ( f )。 1 1 1 综合 热 交换 系数 的 计 算 箱 梁外 表 面 的综 合热交换 系数 实际上 是 由对 流换 热系数 h 和辐 射换 热系数 h 组成 , 两者均与外界气 象条件( 风速 、 箱梁周 围环境温度 、 空
19、气 温度等) 以及外表 面的温度有关 。 混 凝 土表 面与外界 大气 的对 流换 热遵 循 牛顿 冷 却 定律 , 在 土木工 程计算 中 , 要 确定 产 生最 不利 温度 荷 载 的极 值 气 象 条 件 下 的对 流 交 换 系数 h 。 , 采 用 J u r g e s Nu s s e l t 公 式 进行 计算 。 厶 一 2 6 ( 二 4 - 1 5 4 ) ( 6 ) 式 中 v 为 外 界 风 速 , 对 于 混凝 土桥 梁 结构 温 度 效 应 , 为 了得 到 最 不 利 数值 , 应 取 风速 为 零 。但 是 , 考 虑到 风速为 零与 太 阳辐射强 度最 大等
20、 极端 气象 条 件 同时 出现 的几 率 很 小 , 通 常都 是 采 用 1 0 m s的 常数 风 速l 1 。 对 于辐射 换热 , 根据 克希霍 夫定 律 , 综合 混凝 土 表 面发射 和 吸收 热 辐射 的总 效 果 , 混 凝 土 箱梁 外 表 面与外 界的辐 射换 热量 q l 1 l _ 为 q 一 C o r ( 2 7 3+ T ) 一 ( 2 7 3+ T) 一 ( 1一 g a ) c C。( 2 7 g 4- ) ( 7 ) 上式 可 以改写成 与公式 ( 5 ) 右侧类 似 的形 式 , 即 q 一 h ( 丁 一 T)一 q ( 8 ) h 一 Co( 5 4
21、6 4- T 4- T) ( 2 3 7 4- T ) 。 4- ( 2 3 7 4- T) ( 9 ) q 一 ( 1一 ) s C。( 27 3 4- ) ( 1 o) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 8 土 木 建 筑 与 环 境 Z - 程 第 3 3卷 式 中 : C o 为 S t e f a n B o l t z ma n n常数 , 其 值 为 5 6 7 1 0 W ( m。 K ); 为物 体 的发 射率 , 但 就混 凝 土 桥梁结构 温度范 围来 说 , 可以将其 当成 1 个 常数 , 在 缺乏 准确资料 时 , 其发 射率 可
22、以取 为 0 9 0 l j ; 为 大气辐射 系数 , 一 般情况下 , 可取 为 0 8 2 “ ; 为表 面外法线 与地平 面的夹角 。 因此 , 混 凝土箱 粱 外表 而 的综 合 换 热 系数 h的 计 算式为 : 厶一五 + 一2 6 ( 二 7 +1 5 4 ) + 。 ( 5 4 6 + 丁 + 丁) r( 2 3 7+ T ) + ( 2 3 7+ T) ( 1 1 ) l _ 1 2 等 效空 气温 度 的计算 混 凝土 外 表 面总 的 边界 热交换 除上 述 提及 的对 流换 热 g 。和与 外 界 的 辐射换 热 q 外 , 还包 括结 构 表 面实 际吸 收 的太
23、阳辐 射热流 密度 q , 混凝土外 表面总 的边 界条件 为 3 T i r g +q +q ( 1 2 ) f ,T l 采用公 式 ( 5 ) 类似 的方 法将 式 ( 1 2 ) 转 换 成第 3 类 边界条件 , 即混凝 土外表 面总 的边界 条件为 0 T l r h( T 一 T) + q q 一 c ,f h f T + T 1 =h ( T T ) ( 1 3 ) 、 式 中 : 即为等效空 气 温度 。对 于 q 的计 算 推 导 过程 已有许 多文献论 述 ” , 在此 不再详述 ; 气温 E t 过程 T 可以根据现 场实测 的数 据 , 也 可以采用 正 弦 函数 1
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