自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究.pdf
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1、2 0 1 1年 1 0月 第 2卷 第5期 高速铁路 S P EE D RAI L W AY 技术 r E C HN0 L 0GY No 5 Vo 1 2 0c t 2 011 文章编号 :1 6 7 4 -8 2 4 7 ( 2 0 1 1 ) 0 5 一 _ o 0 l 3 _ _ 0 4 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 褚强程海根 ( 华东交通大学 , 南昌3 3 0 0 1 3 ) 摘 要: 以单箱单室混凝连续箱梁桥为分析对象 , 利用热传导理论与有限元软件 A N S Y S相结合的方法计算其 截面温度理论分布, 并将理论值与实测值、 规范值进行 比较。文章以国家重
2、点工程沙溪河特大桥为例, 进行 温度场的 J 【 _ 算, 通过对理论值与实测值 比较 , 分析了利用有限元软件计算温度场产生误差的原因, 并 提出相关建f 义 ! 得出桥梁温度场的情况后, 沿梁高一定长度取温度最大值, 将得出的温度梯度模式与现行 规范进行 比较 , 发现其形式近似于新西兰规范。由于沿界面梁高会产生较大的温差 , 因此在实际计算和施工 中, 温度分布及相应产生的温度应力需要引起高度重视。 关键词 : 自然环境;连续梁桥;单箱单室;温度场; A N S Y S 中图分 类号 : U 4 4 1 5 文献标识码 : A An a l y s i s a nd Ex p e r i
3、 me n t a l Re s e a r c h o f Te rn S e c t i o n o f Co n c r e t e Bo x Be a m i n Co m p l e x CHU Qi a n g C HE N G Ha i - g e n r a t ur e i n s i d e Cr o s s Na t u r a l Ba c k g r o un d s ( E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y , N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3, C h i n a ) Ab
4、 s t r a c t : T a k i n g a s i n g l e e a r r i a g e w a y a n d s i n g l e c e l l b o x c o n t i n u o u s c o n c r e t e g i r d e r b ri d g e a s t h e a n a l y s i s o b j e c t , t h i s p a p e r c a l c u l a t e s t h e t h e o r y d i s t r i b u t i o n o f s e c t i o n t e mp e
5、 r a t u r e b y c o mb i n i n g h e a t t r a n s f e r t h e o ry w i t h fi n i t e e l e me n t s o ft wa r e ANS YS,a n d c o mp a r e s t h e o r e t i c a l v a l u e wi t h me a s u r e d v a l ue a n d s t a n d a r d v a l u e I t a l s o t a k e s t he S ha x i riv e r s u pe r m a j o r
6、 b ri d g e , a n a t i o n al k e y p r o j e c t , f o r e x a mp l e ,c a l c u l a t i n g t h e t e m p e r a t u r e fi l e d , t h r o u g h c o m p a ri s o n o f t h e o r e t i c a l v a l u e wi t h t h e me a s u r e d v a l u e,a n a l y s e s t h e c a u s e s o f e r r o r s i n t h e
7、 c a l c u l a t i o n o f t e mp e r a t u r e fi e l d u s i n g fi n i t e e l e me n t s o ft w a r e ,a n d p u t s f o r wa r d r e l e v a n t s u g g e s t i o n s Aft e r d r a w i n g t e mp e r a t u r e fi e l d,t a k e t h e h i g h e s t t e mp e r a t u r e v a l u e a l o n g t h e b
8、 e a m l e n g t h,t h r o u g h c o mp a rin g t e mp e r a t u r e g r a d i e n t mo d e l wi t h t h e c u r r e n t s p e c i fi c a t i o n,t h e f o r m s i mi l a r t o Ne w Z e a l a n d n o r ms i s f o u n d As t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e O c c u r s a l o n g t h e i nt e r
9、f a c e b e a ms,S O i n p r a c t i c a l c o mp ut a t i o n a n d c o n s t r u c t i o n,a t t e n t i o n mus t be p a i d t o t he t e mp e r a t u r e Ke y wor ds: na t u r a l ba c k g r o un d s;c o n t i n u o u s b e a m br i d g e; S YS 引言 混凝土箱形截面具有抗扭 刚度大 、 顶板和底板 预 应力钢筋布置方便 、 适应现代化施工等优点
10、, 因此 , 在 公路和铁路混凝土连续梁 中大量采用箱型截面。由于 桥梁长期置于外界环境下 , 必然受到外界 自然环境 的 影响。自然气候产生 的温度荷载 , 包括 日照温度荷载 、 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 7 - 0 6 作者简介 : 褚强( 1 9 8 8 ) , 男 , 在读 硕士研究生。 基 金项 目: 江西省教育厅科学技术研究项 目( G J J 1 0 4 6 2 ) 资助 d i s t r i b u t i o n a n d t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s e s d e riv e d f r o m i t
11、a s i n g l e c a r r i a g e wa y a nd s i n g l e c e l l b o x;t h e rm a l fie l d;AN一 年温度荷载及骤然降温温度荷载。其中以日照温度变 化最为复杂, 既有太 阳辐射引起的局部性 , 又有混凝土 传热带来的不均匀性。施工或使用中温度变化时, 必 然使箱梁内部温度分布不均匀 而产 生较大的温度梯 度。由于各部分温度不同必然产生变形, 但却被结构 内外约束所阻止, 随之而来的便是产生不可忽视的温 度应力 , 给桥梁的受力和线形都带来影响。 经过许多专家的研究发现 , 影响此温度应力 的因 素主要包括太阳辐射
12、、 环境温度及风速等。 虽然公路、 铁路等混凝土设计规范对于温度场的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 褚强, 等: 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 2 0 1 1年 1 0月 取值都给出了相应的计算公式或图表_ 1 。 , 但在实际 设计过程中, 很多设计人员反映采用规范温度模式计 算较难通过 , 给设计带来较多的实际问题。针对上述 情况 , 很多设计人员往往不按规范取温度值 , 而是根据 经验来取值 , 带有一定 的随机性 , 缺乏实测 数据。因 此 , 随着如 A N S Y S 、 MI D A S等专业设计软件 的完善 , 有
13、必要对 箱 梁桥 温 度场 及 温度 应 力进 行更 加 深入 的 研究。 2温度分布求解方法 为了分析各个时刻的温度分布 , 则必须分析热量 的传递。自然界 中热量传递有3种基本方式 , 它们是 热传导、 热对流和热辐射。所有的热传递都是以这 3 种方式进行的。实际的传热过程可以是由其中 1 种 热量传递方式进行的 , 但大部分情况是 由以上 2种或 3 种方式结合在一起进行的。首先根据文献 4 -6 做 以下假设 : ( 1 ) 桥梁混凝土材料是均质的和各 向同性的; ( 2 ) 桥梁沿轴线方向温度分布均匀 ; ( 3 ) 物性参数为常数; ( 4 ) 相对于整个物体受温度变化影响导致的单
14、元 l I D 体 积 根据上述假定 , 把本文研究的混凝 土箱梁温度场 的计算问题归结为求解无内热源二维平面瞬态温度场 的微分方程问题, 单元体如图 1 所示。 + 图 1 热传导计算单元体图 Q 通过 , Y方 向进入 微兀 体 的热流 量 司按傅 里 叶定 律得出 : Q = 0 T d ; Q =一A ( 1 ) 微元体内能增量为: c譬 d y d z P ( 2 ) 。 z 根据能量守恒定律 : d =d 。 +d U ( 3 ) 即为 导入微元体1 导出微元体1 微元体热力1 的总热流量J L 的总热流量J L 学能的增量 ( 4 ) 把上述公式代人能量守恒公式, 得N-维传导微
15、 分方程 : ( A )+ ( A o d v r )=p c O T ( 5 ) 其中: 人材料的导热系数 , w ( m K) ; P材料的密度 , ( k g m ) ; C 材料的质量热容, J ( k g K ) 。 为了求解导热问题所涉及到 的温度分布 , 还必须 给出表征该具体问题的一些附加条件。热传导微分方 程及其定解条件构成了一个具体的热传导问题的数学 描述。对于非稳态热传导问题, 定解条件包括初始条 件和边界条件。初始条件是指初始时刻物体内的温度 分布, 边界条件则指物体边界上的传热状况。 平面导热微分方程初始条件 7 为 : t =t o T ( , Y )=r o (
16、, Y ) ( 6 ) 其中, ( , Y ) 为系统内部温度分布。 在物体边界上, 传热边界条件可分为以下 3 类: ( 1 ) 已知物体边界壁面 的温度 , 称 为第 1类边界 条件。这类边界条件给定 了物体壁 面上 的温度值 , 一 般可表示为: = ,Y , t ) ( 7 ) 式中: r w 已知外边界的温度值; ,Y , t ) 边界上的温度函数。 ( 2 ) 已知物体边界壁面 的热流密度 , 称为第 2类 边界条件。这类边界条件一般可表示为: 一 A 三 l = I厂 ( , y , f ) ( 8 ) dn l 式中: 物体壁面的法线方向; ,Y , t ) 边 界 t时 刻
17、的 热 流 密 度 函数 , ( W m) , 方 向为外 法线 方 向, 规 定向外流 出为正 , 反之为负。 ( 3 ) 已知与物体壁面接触的流体温度值以及换热 系数, 称为第 3 类边界条件。 一 A l=h ( T ) ( 9 ) G l n l 式 中: 换热系数 ; 与壁面接触的流体的温度值。 比较 3类边界条件 , 考虑到外界流体温度较容易 测得, 而换热系数也可以通过简单计算得出。本文拟 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 褚强, 等 : 自然环境下混凝土箱梁横截面温度场理论及试验研究 2 0 1 1年 1 0月 用第 3类边界条件模拟箱梁
18、边界太 阳辐射以及与大气 辐射 、 对流的换热过程 。 3 实例分 析 3 1 工程概况 国家重点工程 向莆铁路 F J 一2标万能联络线沙溪 河特大桥是一座典型 的预应力混凝 土连续梁桥 , 跨径 组合为4 8 m+ 8 0 m+ 8 0 113 + 4 8 m, 截面为单箱单室、 顶板 、 腹板和底板从直线末端到支座处均变厚度 , 根部 截面如图2 所示。实际工程中, 在 0号块端部埋有温 度测量计 , 且 由于认为桥梁纵 向的温度分布是均匀 的, 所以选取桥梁支座处截面建模将三维热分析问题转化 为二维来分析。 76 o 0 1 J 图2 支座处截面尺寸图( 单位 : c m) 流换热系数
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