移动模架施工的混凝土箱梁桥温度应力分析.pdf
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1、5 4 桥 梁检测与加 固 2 O l 1 年第 2 期 移动模架施 工的混凝土箱梁桥温度应 力分 析 曹明明 , 王庆 曾 , 王卓彦 ( 1 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司, 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ; 2 路桥华东工程有限公司, 上海 2 0 1 2 0 3 ) 摘 要:为分析全截面温度梯度, 采用经实测数据验证 的有限元程序计算的理论数据, 用曲线拟合的方法建立的混 凝土箱梁空间温度梯度, 同时借用现行公路桥梁规范规定的 竖向温度场经过横向平移推广至全截面温度场进行温度应 力计算, 并与所提出的空间温度梯度计算结果比较, 结果表 明在实际工程中, 可以采用将现行公
2、路桥梁规范规定的竖向 温度场经过横向平移得到其空问温度场估算温度效应, 其结 果是偏 于安 全。 关键词 : 桥梁工程 ; 预应力混凝土; 箱形梁 ; 温度应力 ; 数值模拟; 有限元法; 应力分析 l 引 言 在 随时间变化 的环境气 温和太 阳辐射等作用 下 , 混凝土表面的温度迅速升高或降低 , 内部热量需 要经历较长时间以及与外界发生热交换才能达到平 衡 。此时混凝土箱梁温度场是瞬态的并呈现非线性 的分布特征 】 卅 。由于材料热胀冷缩的性质 , 势必 产生温度变形 , 但变形受到结构 内部纤维 的约束和 超静定约束时 , 结 构就会产 生相 当大 的温度应力 。 许多资料表 明, 温
3、度应力 可以达到甚至超过汽车活 载产生的应力_ 4 j 。 温差效应包括季节温差和 日照温差 , 前者使箱 梁发生整体的、 均匀的变化 , 由此产生的次内力相对 较小 , 而后者 由于温度梯度较大, 且在横截面温度分 布为非线性。 目前我 国现行的公路桥梁规范只给出 了 T形截 面梁的温差分布, 铁路桥梁规范虽然规定 了沿梁高和板厚度 的温度变化 , 但 由于公 路桥 和铁 路桥之问有较大 的差异 , 不能 直接加 以利用 。由于 规范的局限性 , 目前 , 在建立空间分析模型时 , 设计 多数认为横 向温度是不变的, 即直接将竖向温度梯 度沿着桥梁横截面横移而得到空间温度模式。随着 经济的发
4、展 , 混凝土箱梁 的跨度和箱梁截面宽度不 断地增加 , 温度沿着横向存在较大的温度梯度 , 因此 采用平移的模式值得 商榷 。本 文 以广州某 桥为背 景 , 经过现场对温度场的试验 , 用平移 的模式和本文 提出的空问温度梯度进行分析 比较 , 得 出一些重要 结论 。 2 空间温度场 的建立 2 1 现场测点布置 广州位于亚热带地区 , 太阳辐射较为强烈 , 某桥 位于 2 3 。 O O N,1 1 3 。 1 3 E, 标准跨径 6 2 5 m, 主梁高 3 5 m, 各跨 径采用移动模架 法施工 。温 度采用热 敏电阻传感器测量 , 混凝土箱梁横截面及其温度测 点布置见图 1 。
5、图 1 测试截面测 点布置及截面尺寸 2 2 温度场数值模拟 由于试验现场条件的限制 , 无法获取混凝土热 工物理性质的实测数据 , 但是 国内、 外 的学者在许多 文献_ 1 。 中都给出了混凝土热物理性质的数值或 者变化取值范围。该桥 主梁采用 C 5 0混凝 土, 混凝 土导热 系数 为 3 0 J ( m SK) , 比热 容为 8 5 0 J ( k g K) , 密度为 2 5 0 0 k g m。 。 采用大型有限元分析程序 ADI NA建立混凝土 箱梁截面的平面有 限元模 型 , 采用 四边形 9节点单 元 , 单元划分长度为 5 c m, 计算每个节点的温度 。 2 3 模拟
6、值 与实测值的比较 选取 2 0 0 7年 7月 2 4日实测数据进行分析。混 凝土箱梁内部几个关键点温度模拟值与实测点的温 收稿 日期 :2 0 1 1 一O 4 一O 1 作者简介 :曹明明( 1 9 8 2 一) , 男 , 助理工 程师 , 2 0 0 6 年 毕业 中国矿业 大学土木工程专业 , 工学学士 , 2 0 0 9年毕业于浙江大学桥梁 与隧道工程 专 业 , 工学硕士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 7 期 移动模架施工的混凝土箱梁桥温度应力分析 5 5 度 比较见图 2 。 p 赠 p 毯 赠 p 赠 p 赠 赠 一 一 日 一
7、一 L F 一 1 模拟值 一- 。 L F 2 模拟值 一 L F 一 3 模拟值 一L F 一 1 实测值 +L F 一 2 实测值 +L F 一 3 实测值 7 : O 0 1 1: O 0 1 5: O 0 1 9 : O 0 时间 ( a )翼缘 一 一 日 一 一T - 3 模拟值 一 T - 4 模拟值 一 一 一 T - 5 模拟值 一T - 3 实测值 +T 一 4 实测值 一T - 5 实测值 O 0 6: O 0 9: O 0 1 3 : O 0 t 7 : O 0 2 1 : O 0 7: 0 0 1 1 : O 0 1 5 : O 0 1 9: O 0 时间 ( c
8、)顶板 6: O 0 9: O 0 1 3 : O 0 1 7: O 0 2 1 : O 0 7 : O 0 1 1: O 0 1 5 : O 0 1 9 : 0 0 时间 ( d )底板 一 一 日 一L w 一 5 模拟值卜 L w 一 5 实测值 一 _ e L W 6 模拟值 +L W - 6 实测值 6 : O 0 9 : O 0 1 3 : O 0 1 7: O 0 2 1: O 0 7 : O 0 1 l : O 0 1 5: O 0 1 9 : O 0 时间 ( O )腹板 图 2箱梁 内部关键点模拟值与 实测值 的比较 由图 2可知 , 混凝土箱梁 内部的温度有 限元模 拟值
9、和实测值变化规律吻合较好, 两者的绝对差值 不超过 2。由于混凝土导热性能差 , 顶板上、 下缘 温度达到最大值 的时间相差 2 3 h 。底 板 由于受 不到太阳直射作用, 整体变化比较平缓。 2 4 全截面温度场 为了建立最不利温度场 , 选用一天 中不同时刻 ( 1 2 : O 0 、 1 5 : O 0和 1 7 : 0 0 ) 的温度梯度建立全截面温 度场 , 见图 3 。 腹 腹 腹 图 3不 同时刻全截 面温度场 由图 3可知 , 对于翼缘和顶板 , 翼缘边缘横向温 度有较大变化, 呈现明显的非线性 ; 顶板顶面温度变 化较为平缓 ; 随着顶板深度 的增加 , 顶板温度有明显 的
10、下降 ; 在翼缘和顶板梗腋处 , 随着混凝土厚度的增 加( 减小) 温度呈现明显的减小 ( 增加) 趋势。热流是 沿着由混凝土厚度增加的方 向传递 的; 对于腹板和 底板 , 腹板竖 向温差变化较小 , 在腹板与底板连接处 由于底板受到地面辐射作用而有所增加 。腹板横向 由外 向内表现正温度梯度 , 但是变化较小 。 最大的温度梯度 出现在 1 5 : O O左右 , 因此, 在建 立温度梯度时 , 选取 1 5 : 0 0作为最不利温度梯度出 现的时刻。由以上分析可知, 模拟值与实测的温度 值吻合较好 , 为了建立全截面温度场和温度梯度 , 研 究采用已得到实测数据验证的有限元模拟值来建立
11、温度场和温度梯度 。 缘 1 F 嘲 O7 一鐾 3 3 3 3 3 3 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 桥梁检测与加固 2 0 1 1 年第 2 期 3 全截面温度梯度 3 1 竖向温度梯度 公路桥涵设计通用规范 ( J TG D6 O 一2 0 0 4 ) 关 于温度梯度的规定 说明, 箱梁截 面的竖 向 日最高正 温差是描述箱梁截面温度场和拟定竖向温度梯度 的 重要参数 。计算所得的最大温差与实测沿梁高的温 差分布见 图 4 。 图 4 箱梁截 面沿高度的模拟温差与 实测 温差值比较 许多研究表 明, 若不考虑混凝 土底板的温度分 布 , 温度
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