钢管混凝土拱均匀温差设计取值研究.pdf
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1、第 3 0卷第 4期 2 0 1 3年 1 2月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 30 No 4 De e 201 3 钢管 混凝 土拱 均 角 日 刊 rm 差设计取值研究 陈津凯 , 陈宝春 , 刘振宇 , 余新盟 ( 1 福州大学土木工程学院, 福建福州3 5 0 1 0 8 ; 2 华侨大学土木工程学院, 福建厦门3 6 1 0 2 1 ) 摘要: 以一座钢管混凝土桁拱为研究对象, 应用经实桥实测温度场验证的有限元方法和三个不同区域实测环 境温
2、度, 通过对计算合龙温度、 有效温度和温差设计取值方法精度的计算以及温度次内力与有限元理论值差异 的对比分析, 研究了钢管混凝土拱均匀温差设计取值问题。研究表明, 福建省地方建设标准 钢管混凝土拱桥 技术规程 推荐的计算合龙温度公式可推广至全国其他区域; 对于有效温度 , 可取当地最高气温作为最高有效 温度, 最低 日平均气温或当地最低气温作为最低有效温度。 关键词: 拱桥; 钢管混凝土; 合龙温度; 有效温度; 设计值 中图分类号 : T U 3 9 8 文献标识码 : A 文章编号 : 2 0 9 5 0 9 8 5 ( 2 0 1 3 ) 0 4 - 0 0 0 1 0 7 De s i
3、 g n Va l u e f o r Un i f o r m Te mpe r a t ur e Di ffe r e nc e o f Co n c r e t e fil l e d S t e e l Tu bu l a r Ar c h Ri b C HE N fin k a i L ,C HE N B a o c h u n L, L I U Zh e n g y u 。,Y U Xi n me n g L ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , F u z h o u U n i v e r s i t y ,
4、F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ,C h i n a ; 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g , H u a q i a o U n i v e r s i t y , X i a me n 3 6 1 0 2 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T a k i n g a C o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r( C F S T )a r c h b r i d g e a s a n a l y s i s c a s
5、e , o n t h e b a s i s o f t h e e n v i r o n me n t a l t e mp e r a t u r e s o f t h r e e d i f f e r e n t d i s t ri c t s i n C h i n a,c a l c u l a t i n g c l o s u r e t e mp e r a t u r e a n d e f f e c t i v e t e mp e r a t u r e we r e c a l c u l a t e d b y fi n i t e e l e me n
6、t me t h o d v e ri fie d b y t h e me a s u r e d t e mpe r a t u r e fie l d o f o n e CFS T a r c h b r i d g e t o s ur v e y t h e d e s i g n v a l u e f o r u n i f o r m t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e o f CF S T a r c h r i bTh e p r e c i s i o n o f t h e d e s i g n v a l u e f
7、o r u ni f o r m t e mpe r a t u r e d i f f e r e n c e a n d t h e c o mp a r i s o n o f s e c o n d a r y i nt e r na l f o r c e s c a u s e d b y t e mp e r a t u r e b e t we e n t h e d e s i g n v a l ue a n d t h e t he o r e t i c a l v a l u e we r e a n a l y z e dTh e r e s u l t s s h
8、 o w t ha t t h e c a l c u l a t i n g c l o s u r e t e mp e r a t u r e f o r mu l a, wh i c h i s d e v e l o p e d i n T e c h n i c a l S p e c i fi c a t i o n f o r C o n c r e t e F i l l e d S t e e l T u b u l a r A r c h B ri d g e s ( D B J T 1 3 1 3 6 - 2 0 1 1 , c o n s t r u c t i o
9、n s t a n d a r d o f F u j i a n p r o v i n c e ) ,i s a l s o s u i t a b l e fo r o t h e r d i s t r i c t s i n C h i n a T h e l o c a l h i g h e s t t e mp e r a t ur e a i r c a n b e us e d a s t h e h i g h e s t e f f e c t i v e t e mp e r a t u r e Th e mi n i mu m d a i l y a v e r a
10、 g e a i r t e mp e r a t u r e o r t h e l o c a l a i r mi n i mu m t e mp e r a t ur e c a n b e u s e d a s t h e l o we s t e f f e c t i v e t e mpe r a t u r e Ke y wor ds:Ar c h Brid g e;c o nc r e t e fil l e d s t e e l t u be;c l o s u r e t e mp e r a t u r e;e f f e c t i v e t e mp e r
11、 a t u r e; d e s i g n v a l u e 钢管混凝土拱桥 的主拱多为超静定结构 , 截 面平均温度变化会在拱 中产生附加内力 , 称为温 度次 内力。由于钢管混凝土拱肋是由钢和混凝土 两种材料组成 , 且钢管与管内混凝土 的施工又不 是同步进行, 所以, 它与其他类型桥梁的温度作用 有所不 同。我 国现行 的 公路 桥涵 设计 通用 规 收稿 日期 : 作者 简介 : 通讯作者 : 基金项目 : 范 ( 以下简称通规) 没有对其温度计算做出明 确规定 , 因此 , 国内学者 已对这个问题开展了深入 的研究。文献 2 提出“ 计算合龙温度” 的概念 , 文献 3 , 4
12、 以单圆管截面 、 文献 5 , 6 以哑铃形截 面为研究对象开展 了研究 , 文献 7 对一座钢管 混凝土桁式拱桥进行实桥观测 , 分析 了桁拱温度 2 0 1 3 - 0 8 1 4修回 日期 : 2 0 1 3 -0 9 - 2 3 陈津凯 ( 1 9 8 7 ) , 男 , 福建龙 岩人 , 博士研究生 , 研究方 向为组合桥梁结构( E ma i l : c h j i n k a i 1 6 3 c o rn) 陈宝春 ( 1 9 5 8 一 ) , 男 , 福建罗源人 , 教授 , 博 士, 研究方 向为桥梁结构 ( E ma i l : b a o c h u n c h e
13、n f z u e d u c n ) 国家 自然科学基金( 5 1 1 7 8 1 1 8 ) 2 土木工程与管理学报 场的分布规律 。在上述研究 的基础上 , 以福建省 为应用地区, 福建省地方建设标准 D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1 钢管混凝土拱桥技术规程 ( 以下简称 D B J T 1 3 1 3 6 - 2 0 1 1 ) 提 出了钢管混凝土拱均匀温 度作用的设计取值方法。 2 0 1 1年 3月 , 钢管混凝土拱桥技术规范 列 入国家工程建设标 准( 以下简称 国标) 的制定任 务。编制时, 为 了探讨如何将 D B J T 1 3 1 3 6 - 2 0 1
14、 1 中钢管混凝土拱均匀温度作用设计取值方法推广 应用至全 国范围, 需开展相应的研究。根据文献 9 分析可知, 在环境温度 和弦管管径相 同的情 况下 , 实肋拱和桁肋拱 的计算合龙 温度取值仅 相 差 0 2 5 o C; 最高 、 最低有效温度取值相同。因此 , 在不失一般性的前提下 , 本文 以一座钢管混凝 土 桁拱为研究对 象, 采用有限元软件 A N S Y S , 应 用 从我国三个不同地区采集到的环境温度资料进行 分析 , 讨论 D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1中计算合龙温度取 值方法精度及温度次 内力与有限元理论值( 以下 简称理论值 ) 的差异 ; 对钢管
15、混凝 土拱截 面平 均 温度进行计算分析 , 以提出适合于全 国钢管混凝 土拱桥设计的有效温度取值方法。 1 DB J T1 3 - 1 3 6 2 0 1 1均 匀 温 差 设 计 取值简 介 1 1 计算合龙温度 研究表明 J , 钢管混凝土拱计算合龙温度是 环境温度与管 内混凝土水化热综合作用的结果 , 最主要的影响 因素是管 内混凝 土浇筑后 2 8 d内 的平 均气 温 和弦管管 径。D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 l推 荐的钢管混凝土拱桥计算合龙温度公式为 : : + + ( 1 ) 式 中: 为钢管内混凝土浇注后 2 8 d内的平均气 温 ( c ( = ) ;
16、D为钢管外径 ( n 1 ) ; r, n 为考虑管 内混凝 土水化热作用的附加升温值 , 为 3 0 5 0 C, 冬季取小值 , 夏季取大值 , 混凝土强度等级低于 C 4 0时, 在此基础上减 1 0 。 可视为当地的月平均气温 , 它是一个相对 稳定的值。设计人员根 据管 内混凝土浇筑 的 日 期 , 可以从 当地历史气象资料得到月平均气温 , 代 入式( 1 ) 计算。 1 2有效 温度 有效温度用于计算结构 在均匀温度场 作用 下 , 结构相对于基准温度 的温度变形与内力 , 分为 最高有效温度和最低有效温度。钢管混凝土拱截 面有效温度的最主要影响因素是环境温度和弦管 管径。根据福
17、建省各地的气候条件 , 将全省分为 三个地区进行分析 , 根据分析结果 , D B J T 1 3 1 3 6 2 0 1 1推荐有效温度按表 1 取用。 表 1 福建省最高 、 最低 有效温度标准值 地区 北部沿海 南部 沿海 山区 最 低 有 效 温 度 ( : ) ( ; :; ) ( 0 0 ) 最 高 有 效 温 度 誓 箍 。 注 : 钢管外径 D0 7 5ff l 时 , 最低有效温度取括号内的值。 2研究方法 2 1 研究对象 以一座钢管混凝土桁拱为研究对象。该桥主 跨跨径为 1 5 0 m, 矢跨 比为 1 5 , 拱轴线为空间悬 链线。主拱肋 为 四肢 钢管 桁架式 断 面
18、, 拱 肋 高 3 6 5 m, 拱肋宽 2 1 1 1 1 。标准段拱肋上下弦管为 8 5 0 n l m1 4 m m( 拱脚段为 d 9 8 5 0 m m1 6 mm) 的钢管 , 腹杆采用 3 5 0 m m1 0 I l l l l l 无缝钢管 。 拱肋 下弦管 内填 5 0号微 膨胀混凝 土( 图 1 ) 。 该桥的具体资料见文献 1 0 。 图 1 拱肋横截面 m m 2 2 计算方法 本研究对钢管混凝土拱截面的温度场和温度 次 内力计算均采用有限元分析方法 , 应用 A N S Y S 通用程序进行分析。钢管混凝土拱 日照下的温度 场是一个非线性的、 瞬态 的传热问题 。假
19、定全拱 沿拱轴方向各截面温度场相同, 可将三维温度场 问题简化为平面问题进行分析。对于复杂的热交 换边界条件是将太 阳辐射 、 热辐射和对流三种热 流 , 用对流来等效代替施加 , 将综合换热 系数 h 、 综合气温 赋给边界上 的节点 。对于钢管混凝 土拱的温度次内力分析就是在温度荷载作用下的 结构分析 , A N S Y S许多结构静力分析单元都具有 温度荷载分析功能。 钢管混凝土拱截面有效温度的有限元计算就 第4期 陈津凯等:钢管混凝土拱均匀温差设计取值研究 3 是求解截面在 日照和环境温度共 同作用下的温度 场变化过程 中的极值。采用 P L A N E 5 5单元对截 面进行划分 ,
20、 将每个单元 的温度按面积作为权重 求得截面每个 时刻 的平均温度 , 进而得 到截面极 值温度。 计算合龙温度的有限元计算方法是 : 先计算 拱肋弦管截面温度场 , 采用增量法 , 以 1 h为单位 时段计算从混凝土浇筑完成至此后的 2 8 d内, 钢 管混凝土拱在水化热 和 日照 、 环境温度共同作用 下的温度场变化过程 , 然后求 出每时刻截面的平 均温度 , 进而得到每个 时段 内拱 的平均温度增量 和 2 8 d时的截 面平均 温度 t 。将不 同时刻 ( 每小时) 截面温度荷载 施加在拱 的结构模 型上 , 连续计算 2 8 d并将每个时段 内的温度内力 累加 , 最终得到 2 8
21、 d后的温度内力。以此内力和 t , 反算截面内力为0时的温度值, 该值即为拱的 计算合龙温度 。 实际工程 中, 桁拱各弦管在不 同时间完成管 内混凝土浇注的 , 各弦管平均温度不同, 但 由于处 于同一时期 , 因此不会相 差太大。研究表 明 , 差值不会超过 1 4 , 对于拱结构 总内力的影响 极小 。因此 , 为简化计算 , 可 以假设各弦管混凝土 是同时灌注完成的 , 初始温度取浇筑 时的环境温 度。在施工阶段 , 拱肋表面涂层为红色漆 , 而成桥 后涂层为银 白色漆。由于确定钢管混凝土拱的计 算合龙温度需要对施工过程的温度场进行分析 , 而有效温度主要考虑成桥后相当长服务时间内的
22、 影响, 因此在计算该拱的计算合龙温度和有效温 度时 , 钢管表面对太 阳辐射的吸收系数 O 分别取 为 0 7和 0 5 5 , 。 2 3 材 料 特性 由于混凝土刚度是逐渐形成的 , 2 8 d内大气 温度周期性变化在混凝 土内积累 了应力 ; 水化热 使管内 昆 凝 土升温 , 随后慢慢降温 , 在混凝土内积 累了应力 。因此该过程 中每个 时段的计算应采用 对应的结构 刚度 。混凝土水化 热模型根据文献 1 4 采用复合指数式 , 弹性模量增长规律参考文 献 1 5 , 按式( 2 ) 确定 : E ( t )= E ( 1一 3 e ) ( 2 ) 式 中, E 为混凝土最终弹性模
23、量 ; E( t ) 为龄期为 t 的弹性模量 ; 系数 :1 。 对于本文算例 , 混凝 土最终弹性模量 为 3 5 X 1 0 MP a , 代入式( 2 ) 可 以确定该混凝土 弹性模 量增长曲线。 2 4 有限元模型 采用大型通 用软件 A N S Y S进 行建模分 析。 截面温度场计算采用 P L A N E 5 5热单元进行单元 划分 , 全截面共划分成 3 4 0个单元。对于温度次 内力 的计 算 , 将 拱 肋 简 化 为 杆 系 结 构 , 采 用 B E A M1 8 8梁单元模拟 , 共计 4 7 1个节点 , 9 0 6个 单元 。模型经实桥在 日照作用下实测温度场
24、验 证 , 见文献 7 。 2 5 分析参数 钢管混凝土拱的温度场与环境温度 、 太阳辐 射 、 水化热 、 钢管管径 、 混凝土入仓温度和空钢管 合龙温度等因素有关 。研究表 明 , 在计算合龙 温度 中, 影响最大的是环境温度与管内混凝土水 化热 ; 在有效温度中, 最主要的影响因素是环境温 度和弦管管径。为此 , 本文取各地的环境温度和 弦管管径的大小为主要分析参数。 为了对比, 本文分析时 , 桥梁对象相同 , 通过 将其置于福建省漳州市 ( 华东温热地 区) 、 四川省 雅安市( 西南寒冷地 区) 和河南省南 阳市( 华 中寒 冷地区) 三个不 同区域实测环境 温度下 , 通过有 限
25、元模型计算 , 来分析不 同气温条件对计算合龙 温度与有效温度的影 响。对于超静定拱来说 , 当 基准温度取值较高, 有效温度取值较低时的温降 对结构更为不利。因此 , 分析时 , 选取夏季实测温 度计算合龙温度 , 式( 1 ) 中 取 5 0 。 在我国已建 的钢管混凝土拱桥 中 , 弦管 的管 径 D一般为 5 5 0 1 5 0 0 m m 1 6 。为了研究管径变 化对均匀温差设计取值的影响 , 选择 了 D =5 5 0 mm、 D 2=8 5 0 m m、 D 3=1 2 0 0 m m 和 D 4=1 5 0 0 m m, 共4种管径尺寸进行计算分析。需要指出的 是 , 一般情
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