钢管混凝土拱桥拱肋水化热温度场和温度应力分析.pdf
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1、钢管混凝土拱桥拱肋水化热温度场和温度应力分析 宣纪明 , 向华伟 , 芦可琪 2 9 文章编号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 2 9 0 4 钢管混凝土拱桥拱肋水化热温度场和温度应力分析 宣纪明 , 向华伟 , 芦可琪 ( 浙江 工业大 学建 筑工程 学院 , 浙江 杭 州 3 1 0 O 1 4 ) 摘 要 : 常山南门溪大桥为钢管混凝土提篮拱桥 , 拱肋施工正处于冬季, 针对该桥拱肋采用集 束式钢管混凝土结构, 截面混凝土所 占比例较大, 钢管又相对薄弱的情况, 采用 L US As通用有限 元软件 , 分析拱肋混凝土水化热, 对拱肋水化热产生
2、的温度场及温度应力进行计算。分析表明: 冬 季施工拱 肋混凝 土水化 热 引起 的温度 梯度 大 , 温度 应 力明显 , 在 施工 与监控过 程 中应 考虑其 影响 。 关键 词 :拱桥 ; 钢 管混 凝土 结构 ; 拱 肋 ; 水化 热 ; 温度 场 ; 温度应 力 中 图分 类号 : U4 4 8 2 2 文 献标志码 : A An a l y s i s o f Te mp e r a t u r e Fi e l d a nd S t r e s s o f Co n c r e t e Hy d r a t i o n He a t o f Ar c h Ri b s o f a
3、Co n c r e t e - Fi l l e d S t e e l Tu b e Ar c h Br i d g e XUAN Ji mi n g, ( Co l l e g e o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l En g i n e e r i n g, Xl ANG Hu a - we i Z h e j i a n g Un i v e r s i t y o f ,LU Ke q i Te c hn o l o gy,Ha n gz hou 31 0 01 4,Ch i na ) Ab s t r a c t :Th e Na
4、 n me n Cr e e k Br i d g e i n Ch a n g s h a n i s a c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b e( CF S T)b a s k e t ha nd l e a r c h b r i d ge a n d t h e c o ns t r u c t i o n of t he a r c h r i bs o f t h e br i d ge wa s r i g ht i n t h e wi n t e r s e a s o n I n t h e l i gh t o f t
5、he c ha r a c t e r i s t i c s t ha t t he c l us t e r i ng t y pe CFST s t r u c t u r e s we r e c h o s e n f o r t h e a r c h r i bs o f t he br i d g e,t he c o nc r e t e a c c ou nt e d f o r a l a r g e pr o p o r t i o n i n t h e s e c t i o na l a r e a o f a n a r c h r i b a nd t he
6、s t e e l t u be s we r e r e l a t i v e l y we a k,t he un i v e r s a l LU S AS s o f t wa r e wa s us e d t O c o n du c t t he a n a l y s i s of hy d r a t i on he a t of t h e c o nc r e t e a n d t he t e m p e r a t ur e f i e l d a n d t e mp e r a t u r e s t r e s s a r i s i n g f r o m
7、 t he hy d r a t i on h e a t we r e c a l c ul a t e dTh e r e s u l t s o f t he a n a l y s i s i nd i c a t e d t ha t t he t e m p e r a t ur e gr a di e nt du e t o t h e c on c r e t e h yd r a t i on he a t of t he a r c h r i bs c o n s t r u c t e d i n t he wi nt e r s e a s o n wa s g r
8、e a t a n d t h e t e m p e r a t ur e s t r e s s wa s s i gn i f i c a nt The i n f l u e n c e of t h e t e m pe r a t u r e gr a d i e n t a n d s t r e s s s h ou l d b e t hu s c o ns i d e r e d i n t he c o ns t r uc t i o n pr o c e s s a n d i n t he c o n s t r uc t i o n mo ni t o r i ng
9、 a nd c o nt r o 1 Ke y wo r ds :a r c h br i dg e;c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u be s t r uc t u r e ;a r c h r i b;hy d r a t i o n he a t ;t e m pe r a t u r e f i e l d;t e mp e r a t u r e s t r e s s 1 引 言 近年来 钢管 混凝 土拱桥在 桥梁建 设 中获得 了广 泛运用与发展 , 但这种结构还有很 多问题有待进一 步深入研究 , 拱肋水化热温度场便是其 中之一
10、 。 钢管混凝土拱桥拱肋截面形式多样 , 文献 2 针对圆 形及方形拱肋截面进行了水化热温度场实测及有限 元计算分析 ; 文献 3 则对哑铃形截面水化热温度场 进行 了有 限元 分析计 算 。2篇 文献 均 未涉 及水 化 热 引起 的不均匀 温度 场 产生 的温度 应 力计 算 , 钢 管 内 受约束的混凝土升温膨胀必引起钢管应力 , 有关应 力度的研究还较少 。实际工程 中拱肋截 面形式 多 样 , 钢管应力备受关 注, 在工程 实践快速进行 的同 时, 这方面的研究有待跟进。本文以浙江常山南门 溪大桥 的施 工 监控 为工 程 背 景 , 对 其 拱肋 水 化 热 温 收稿 日期 :2
11、0 1 0 0 2 2 5 作者简介:宣纪明( 1 9 6 5 一) 。 男, 高级工程师 , 1 9 8 7年毕业于西南交通大学桥梁专业 , 工学学士( 5 1 x u a n j m1 6 3 c o rn) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 0 桥梁建设 2 O l O年第 3 期 度场及 由此 引起 的温度应 力进行 计算分 析 。 2 工 程概况 常 山南 门溪 大桥 为 下 承 式 钢 管 混凝 土 提 篮 拱 桥 , 计算 跨径 6 0 IT I , 桥 面宽 3 2 7 m, 拱 肋平 面 内矢 高 1 5 m, 两侧拱肋 向 内倾 斜 1
12、 5 。 形成 提篮拱 , 两拱 肋 在桥面处 相距 2 2 1 1T I , 在拱 顶 处 相 距 1 3 2 m。拱 肋 横截 面为倒 三 角形 , 用 钢板 将 3根 5 ( ) ( 、 壁 厚 1 0 mm 的钢管连 成等 腰 三角 形 断 面 , 拱 肋 钢管 内及 钢 板 所 围成 的空 间 全部 灌 注 C 5 0微 膨 胀 混凝 土 。全 桥设 3 道一 字撑 , 桥面系设 2道 系梁 、 2道 端横 梁 和 l 3 道 中横梁 。全桥结 构 示 意见 图 1 , 拱 肋截 面 见 图 2 , 拱肋 C 5 0 昆 凝 土配合 比见表 1 。 图 1 南门溪大桥整体 结构示意
13、1 5 0 0 板 单位 :m m 图 2南门溪大桥拱肋截面 表 1 南 门溪大桥拱肋 混凝土配合比 k g m。 水泥粉煤灰 外加剂膨胀剂 河砂 碎石 水 总重 4 9 0 4 0 9 4 8 6 6 9 1 0 2 5 1 6 9 2 4 5 0 南 门溪 大桥拱 肋 截 面混 凝 土所 占面积 比例大 , 钢 管相对 薄 弱 。钢 管混 凝 土 泵 送 施 工 在 1月 份 进 行 , 属于冬季 施工 , 环 境温 度 低 , 水 化 热 引起 的截 面 不均匀温度场将更加显著。特殊的截面形式加之在 特定 季节施 工 , 以及 在 对 钢管 拱肋 水 化 热温 度 场及 温度 应力研究
14、不充 分 的前 提 下 , 对 该 桥 的拱 肋 水化 热温度场和温度应力进行分析 , 为拱肋混凝土配合 比分析提供一些参考 , 确保桥梁安全施工。 3计 算理论 结 构水 化热 温度 场 分析 属 于瞬 态分 析 , 温度 应 力分析则是根据温度场分析得到的温度值作为荷载 施 加 到结构上进 行求 解 。水 化热温 度场 和温度应力 的求解是一个半耦合过程, 需分 2 个过程求解。 3 1 水 化热 温度场分 析 空 间不稳定 温 度 场 区域 R 内 , 温 度 场 T( x, , ) 满足 热传导方 程 : 筹+ + 磐+ ( + ) 一 0a z a 。 a v 。 n a r a r
15、 式 中, T 为 温度 ; n为 导 温 系数 ; 为 绝热 温 升 ; r为 时 间 。 在绝 热条件下 混凝 土的温度 上升 速度为 : a Q t c p c p 式 中 , w 为 单位 体 积 混凝 土 中的水 泥 含量 ; q 为 水 化热生成速率; C 为比热; p 为混凝土密度。 目前各 类文献 还未 给出公路 混凝 土的水化放 热 规律 , 水 工混凝 土方 面的研究 指 出 4 : 单位体 积混 凝 土水 泥含量一 旦确 定 , 则 水泥 水 化绝 热 温 升 总量是 一 定 的 , 每一 时刻水 化放热 量是 时问 的函数 , 目前描 述水化放热函数有 3类: 指数式、
16、 双 曲线式和复合指 数式。文献E 5 通过对钢管混凝土水化热温度场的 实测对 比, 指出复合指数式模型计算结果更接近于 实 际值 。本 文采用 复合指数 式进行 钢管混 凝土 的水 化热分析 。 在 t 龄期 时 , 混 凝 土 累计 水化 热 的 复合 指数 函 数为 : Q( )一 Q 。 ( 1 一 e ), 式 中相 关 参数 按 文献 E 4 - 1 进行取值。 有限元分析时, 将求解区域划分单元后 , 使温度 场 T在 r 一0时 , 满 足给定 的初始 条件 T 。 ; 在边界上 满足给定 的边 界条 件 T , 然 后将 泛 函数 ( T) 取 极 小值, 得到求解矩阵并进行
17、求解, 从而得到所需要的 不 稳定温 度场 。 3 2 结构 温度应 力分析 通过 前 述 的温度 场 分析 , 可 以得 到 各个 瞬 时的 温度 场 , 温 度梯度 将 使 混凝 土 中形成 温 度 应力 。而 该 温度应 力水平 同混 凝 土 的水 化 热程 度 、 混 凝土 的 热传导性能等材料特性系数相关 。温度应力按照热 弹性力学的相关理论进行求解。 4 计算模型及计算结果分析 4 1 有限元计算模型 针 对南 门溪大 桥 的拱 肋水 化 热分 析 , 主要 有 以 下假设 : 管内混凝土 与钢管壁接触 良好 , 不存在脱 空; 大气温度场为均匀的, 不考虑 F t 照等因素引起的
18、 非 均匀 温度场 。另外 , 在温度 场计算 中 , 拱肋 各截 面 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢管混凝土拱桥拱肋水 化热温度场和温度应力分析 宣纪明 , 向华伟 , 芦可琪 3 1 温度场是 均匀 的 , 可 以将 空 间 结构 的拱 肋简 化 为平 面问题进行处理 , 文献 3 , 5 在进行温度场计算时均 按平 面 问题 处理 , 本文为 了直观 反映水 化温度 应力 , 取 一定长 度的拱肋 进行实 体建模 分析 。 南 门溪 大桥拱肋 水化 热分析 采用通 用有 限元软 件 L US AS进行 , 结合 现场 冬季 气候 条件 , 日温 度按
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