混凝土连续刚构桥箱梁的温度监测与分析

摘　要: 以观音沙大桥为背景,通过实验测试和计算分析,寻求有普遍意义的温度场分布规律和大跨度连续刚构桥施工过程中的温度效应. 应用有限元软件ANSYS对温度场进行模拟,分析了太阳辐射、风速等边界条件和导热系数、比热等计算参数对温度场的影响,并提出了相应的建议值. 模拟计算的温度场与实测温度场吻合得较好,根据模拟的温度场进行结构计算所得的应力和挠度也与实测值相当吻合,从而可以利用当地气象局实测的气象数据来实时模拟混凝土箱梁温度场并进行温度场的温度效应分析.

关键词: 温度场; 连续刚构桥; 监测; 温度场模拟; 温度效应分析

中图分类号: U 448. 35; U 446. 2　　　　文献标识码: A

　　现有的桥梁规范只对一个地区最不利的温度场做出了规定,而没有提出钢筋混凝土箱梁温度场的变化规律[ 1 ] ,但事实上一年中绝大部分时间箱梁温度场并不处于最不利状态,根据规范并不能处理需要考虑温度场的时间历程的情况. 大跨度桥梁的施工周期一般很长,经历季节的更替、寒暑易节,温度场的变化对结构的影响很复杂,研究温度场的变化规律和结构的温度效应非常必要[ 2 ] . 本文中以观音沙大桥为背景,用实验测试和计算分析的方法,寻求珠三角地区秋冬季节有普遍意义的温度场分布规律和大跨度连续刚构桥施工过程中的温度效应.

1　观音沙大桥的温度监测

　　观音沙大桥是京珠北线广州(新洲)至番禺(坦尾)段高速公路上的一座大型桥梁. 主桥为预应力混凝土连续刚构,跨径组合为65m + 2 ×120m +65m. 在观音沙大桥的施工过程中,在顺桥方向右幅3号T构上布置了两个温度监测断面,共40 个测点. 其中1#块左右腹板沿梁高各布设9个测点, 6#块左右腹板沿梁高各布设7个测点. 混凝土内部温度采用镍铬- 镍硅K型热电偶测量,箱内和箱外大气温度采用水银温度计测量[ 324 ] . 如图1、2所示.

　　　为了减少测量误差和处理数据的方便,取1#截

面的102、108和109号测点的平均值,并记为A1 ;取104、105和106号测点的平均值,并记为A2. 选择晴天、突遇寒流的降温天气和寒流消退后的回暖天气这3种典型天气状况下的箱梁温度分布. 限于篇幅,测试结果只列出晴天温度场的分布,见图3～6.

2　温度场仿真分析

2. 1　仿真分析的基本假定现作如下假定:

　　(1)不考虑钢筋的存在对混凝土导热性能的影响,假定混凝土材料为均质的,且各向同性;

　　(2)假定混凝土材料各物理参数与温度无关;

　　(3)假定梁体具有相同的初始温度[ 2 ] .

2. 2　温度场模拟

　　应用通用有限元程序ANSYS的热分析功能模拟结构的瞬态温度场. 用ANSYS热分析边界条件中的对流模拟箱梁与空气介质的对流换热,用热分析中的点面辐射模拟箱梁与空气介质间的辐射换热[ 2 ] ,太阳直接辐射、散射辐射、地面反射辐射和地表辐射用ANSYS热分析的面载荷模拟[ 5 ] ,计算模型如图7所示.

　　本文中所用风速和太阳辐射强度资料来自广州市番禺区气象局. 该气象局在距离桥梁现场约3 km处有一座自动采集站,用于记录每分钟的气温、风速、湿度、可见度和云层高度等气象信息. 值得指出的是,该采集站的风速仪位于距离地面2m左右的位置,即记录的风速为地面以上2m左右高度的风速值,而观音沙大桥3号T构的箱梁高程在20. 5～27. 2m之间,所以风速应按高度进行修正[ 5 ] .

　　以晴天为例,把早晨6: 00实测的温度分布作为初始温度场. 太阳辐射强度按气象局实测的确定,箱外风速按气象局实测值放大4倍确定,箱内风速按1m / s确定, 其他的参数选取如下: 导热系数取3. 5W / (m·K) ,比热c取960 J / ( kg·K) ,密度ρ取2 400 kg/m3 ,吸收系数αb 取0. 65. 通过有限元程序ANSYS可以计算出箱梁的温度分布情况,见图8.

2. 3　计算参数的影响

　　温度场模拟是基于热传导微分方程和相应的定解条件的,其中热传导微分方程和定解条件的处理

包含一系列的参数. 这些参数对温度分布存在不同程度的影响[ 526 ] ,本文中定性地研究了不同计算参数对温度场的影响程度.

2. 3. 1　风速

　　风速对桥梁结构温度场的影响是通过对流换热系数施加的. 不同的风速对应不同的对流换热系数,而不同的对流换热系数用来模拟结构物与外界不同程度的对流热交换[ 7 ] . 为了分析不同风速对温度场的影响,本文中作如下处理:考虑晴天的情况,辐射边界条件按气象局实测的太阳辐射强度考虑,外表面的对流换热系数用气象局提供的风速分别乘以放大系数2、3和4计算,其它参数不变. 结果如图9所示.

　　从图9比较2倍风速与4倍风速的计算结果可知,在同一时刻,温度最大相差10 K以上. 这说明风速对温度场影响很大,在温度场的模拟计算中,风速的准确与否是决定模拟精度的因素之一.

2. 3. 2　导热系数

　　导热系数越大,表明热传导性能越好,温度达到平衡的时间就越短. 现有的文献资料[ 527 ]关于导热系数的取值存在较大的差异,而且这个系数不易确定,本文中通过取不同的值来讨论导热系数对温度场的影响. 箱外风速按放大4倍确定,除导热系数外,其

它参数不变. 结果见图10.

　　由图10可知,导热系数越小,各点的温度峰值越大,而极小值越小. 这说明导热系数越小,混凝

土材料的温度分布越不均匀,即温度梯度的非线性越明显,从而导致更大的温度应力. 由图中曲线可知, 取3. 5W·(m ·K) - 1时计算结果跟实测结果较为接近,表明对于珠三角地区的预应力混凝土箱形梁桥,混凝土的导热系数取不小于3. 5W·(m·K) - 1的值较为合适.

2. 3. 3　比热

　　现有的文献资料[ 728 ]关于混凝土比热的取值也存在较大的差异,且这个参数不易测定,本文中通过计算讨论比热的合理取值范围. 计算参数的确定除了比热外,其它参数不变.

　　由图11 可知,比热c 分别取900、960、1 000J / ( kg·K)时,计算结果没有明显差异. 这表明对于珠三角地区的预应力混凝土箱形梁桥,混凝土比热在900～1 000 J / ( kg·K)之间取值都是合理的.

3　温度效应分析

　　采用ANSYS的热分析功能模拟结构的瞬态温度场,然后将结构计算和实测值进行对比.

3. 1　应力实测值和计算值的比较

　　除温度外,影响应力的因素较多,具体有待进一步研究[ 5, 8 ] . 另外,温度变化影响应力的变化需要时间过程,实测值要比计算值滞后. 假定不明确的因素对上下缘纵向应力的影响程度相当[ 9 ] ,采用顶板和底板上下缘应力差来进行对比较为合理,结果如图12所示.

3. 2　挠度实测值和计算值的比较

　　桥梁施工到15#块时, 15#和14#梁段前端的温度挠度的计算值与实测值比较如图13所示,挠度以向下为正.

　　由图13可以得到,温度引起的挠度计算值与实测值有相似的变化规律,但是,实测值要比计算值滞后. 造成实测挠度比计算挠度偏差大的原因是实测挠度包含了墩梁固结处的转动引起的主梁附加挠度,而计算模型没有考虑这部分挠度. 天气晴朗的上午,在太阳辐射的影响下,墩梁固结处的转动使主梁产生向上的附加挠度,负的附加挠度和主梁的弯曲变形叠加导致了上午的实测挠度比计算挠度小;随着太阳高度角的变化,主梁的附加挠度由向上变为向下,附加挠度和主梁自身的弯曲变形叠加使梁端在下午的实测挠度比计算挠度大. 可见,由于主梁附加挠度的存在使得上午的实测挠度比计算挠度小,下午的实测挠度比计算挠度大. 因此,在温度场结构计算模型中必须把柔性墩考虑进去. 在施工监控时,对不同温度场下的立模标高的确定,除根据计算的结果外,还需考虑温度效应的滞后. 桥梁成桥、铺完桥面铺装后,还需考虑桥面铺装对箱梁温度场的影响[ 10 ] .

4　结论

　　本文中介绍了一种基于当地气象局实测的气象数据模拟混凝土箱梁温度场的方法,并分析了部分参数对计算结果的影响. 通过本文中的分析有如下结论: (1)当混凝土的材料参数确定之后,根据当地气象局的气象资料就可以模拟出较高精度混凝土箱梁温度场,这对于减少温度的监测工作,完善混凝土箱梁的设计理论具有重要的意义; ( 2)风速对混凝土箱梁温度场影响很大,风速应按高度进行修正. 如何确定风速沿高度的分布有待进一步研究. 对于珠三角地区的混凝土箱型梁桥,混凝土的导热系数取值以不小于3. 5W / (m·K)较为合适. 混凝土比热在900～1 000 J / ( kg·K)之间取值都是合理的; (3)温度对预应力混凝土连续刚构桥箱梁的应力和挠度均有较大的影响,在桥梁设计和施工以及施工监控中均应考虑温度的影响并采取相应的对策. 在施工监控时,对不同温度场下的立模标高的确定,除根据计算的结果外,还需考虑温度效应的滞后.

参考文献:

　　[ 1 ] 　陈常松,颜东煌,程海潜,等. 大跨度PC斜拉桥施工控制中温度效应分析[ J ]. 公路交通科技, 2002, 19 ( 6) :85287.Chen Chang2song, Yan Dong2huang, Chen Hai2qian, et al.Analysis of temperature influence on long2span p restressconcret cable2stayed bridge construction control [ J ].

Journal of Highway and Transportation Reseach and De2velopment, 2002, 19 (6) : 85287.

　　[ 2 ] 　DilgerWalter H, Ghali Amin. Temperatures stresses incomposite box girder bridges [ J ]. Journal of StructuralEngineering, 1983, 109 (6) : 1 46021 478.

　　[ 3 ] 　李杰,王根会,张克华. 厚壁混凝土箱梁施工过程中的温度应力分析研究[ J ]. 兰州交通大学学报, 2006, 25(3) : 33236.L i J ie,Wang Gen2hui, Zhang Ke2hua. Temperature stre2sses analyses of the construction of p late wall box girder[ J ]. Journal of Lanzhou J iaotong University, 2006, 25(3) : 33236.

　　[ 4 ] 　林建筑. 泉州后渚大桥温度场测试与温度内力分析[ J ]. 福州大学学报:自然科学版, 2005, 33 (5) : 6552660.L in J ian2zhu. Measurements of thermal gradients and theireffects on the static behavior of the Houzhu bridge inQuanzhou [ J ]. Journal of Fuzhou University:Natural Sci2ences Edtion, 2005, 33 (5) : 6552660.

　　[ 5 ] 　Reynolds J C, Emanuel J H. Thermal stresses and move2ments in bridges [ J ]. Journal of the Structural Division,1974, 100 ( ST1) : 63278.

　　[ 6 ] 　Moorty S,Roeder CW. Temperature dependent bridge move2ment [J ]. ASCE J StructDiv, 1992, 118 (4) : 109021105.

　　[ 7 ] 　Kehlbeck F. 太阳辐射对桥梁结构的影响[M ]. 刘兴法译. 北京:中国铁道出版社, 1981.

　　[ 8 ] 　MamdouhM, Eibadry,Amin Ghali. Temperature variationsin concrete bridges [ J ]. Journal of Structural Engineer2ing, 1983, 109 (10) : 2 35522 374.

　　[ 9 ] 　劳晓春,汤立群,任鹏,等. 桥梁内部预应力钢绞线应变的长久监测与分析[ J ]. 华南理工大学学报:自然科学版, 2003, 31 (11) : 53256.Lao Xiao2chun, Tang Li2qun, Ren Peng, et al. Longmonito2ring and analysis on the strain of p restressed twist steel ca2bles inside a bridge [ J ]. Journal of South China Universityof Technology:Natural Science Edition, 2003, 31 (11) : 53256.

　　[ 10 ] 　罗立峰,钟鸣,黄成造. 水泥混凝土桥面铺装设计方法的研究[ J ]. 华南理工大学学报: 自然科学版,2002, 30 (3) : 61265.Luo L i2feng, Zhong Ming, Huang Cheng2zao. A designmethod for cement concrete bridge deck pavement [ J ].Journal of South China University of Technology:NaturalScience Edition, 2002, 30 (3) : 61265.