高原高寒地区 Q...
Transcript of 高原高寒地区 Q...
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卷!
第#
期
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月
交 通 运 输 工 程 学 报
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收稿日期!
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基金项目!交通运输部建设科技项目!
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作者简介!张!
宁!
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"$男$辽宁大连人$西北农林科技大学讲师$工学博士$从事桥梁工程研究%
通讯作者!刘永健!
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"$男$江西玉山人$长安大学教授$工学博士%
文章编号!
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高原高寒地区Q
形混凝土桥塔日照温度效应
张!
宁!
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!刘永健$
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江$
!季德钧?
!房建宏#
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西北农林科技大学 水利与建筑工程学院$陕西 杨凌!
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长安大学 公路学院$陕西 西安!
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青海省高等级公路建设管理局$青海 西宁!
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#:
青海省交通科学研究院 青藏高原公路建设与
养护重点实验室$青海 西宁!
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#
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不列颠哥伦比亚大学 土木工程系$哥伦比亚 温哥华!
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"
摘!
要!分析了混凝土结构温度场边界条件计算方法!以青海省海黄大桥Q
形混凝土桥塔为工程背
景!计算了高原高寒地区四季典型气象条件下的桥塔温度场分布!对比了四季的桥塔表面温差和塔壁
局部温差!确定了桥塔的最不利温度荷载!建立了桥塔整体有限元模型!分析了四季桥塔的偏位"竖向
应力"横向应力和纵向应力等温度效应$分析结果表明%桥塔表面温差与桥塔局部温差均在冬季最
大!最大值分别可达!!:&&d
"
$%:"Dd
!在夏季最小!最大值分别可达@:!@d
"
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#横桥向和纵
桥向桥塔表面温差最大值分别达到D=!@d
"
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!远大于)公路斜拉桥设计细则*'
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(推荐值e@d
#接近正南方向的塔壁局部温差最大!沿壁厚方向的温差分布接近指数形式!
冬季和夏季温度衰减系数最大值分别为#=@%
"
@=%!
!故冬季桥塔壁板局部温度分布较夏季更不均匀#
桥塔温度效应同样在冬季最大!
!
天中最大桥塔偏位超过#%II
!白天桥塔偏位变化值超过!@II
!不
利于施工过程中的桥塔偏位监测#桥塔根部竖向最大拉应力达到$=$CA,
!桥塔根部同样产生较大水
平向拉应力!纵桥向和横桥向最大拉应力分别为!:&$
"
%:&$CA,
!均发生在桥塔内侧!在与其他作用
组合时可能会造成桥塔开裂!建议在桥塔塔壁内侧布置一定量的钢筋网片来控制裂缝#在进行高原高
寒地区桥塔设计和施工控制时!应充分考虑温度效应带来的不利影响$
关键词!桥梁工程#混凝土桥塔#高原高寒地区#有限元模型#温度分布#温度效应#混凝土开裂
中图分类号!
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文献标志码!
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4
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7
0(+\8*81,-1)-,582=/N858I
4
8*,5)*8
第#
期 张!
宁!等%高原高寒地区Q
形混凝土桥塔日照温度效应
20..8*8+183Y85\88+
4U
-(+3)*.,183,+2
4
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$
5N858I
4
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4
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$
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$
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U
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8*,5)*8 ,558+),50(+
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4
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$
4U
-(+*((5,-3(N,3-,*
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5N8 I,V0I)I
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I,0-=1(I=
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引!
言
斜拉桥一般采用薄壁空心桥塔$随着中国斜拉
桥跨径的增大$要求混凝土桥塔的截面与高度也随
之增大%暴露在外界环境中的混凝土桥塔$受日照(
气温与风速的影响$会产生$
种温差&桥塔表面温差
与塔壁局部温差%桥塔表面温差是由桥塔在向阳面
与背阳面受太阳辐射不同而形成的温差$会引起桥
塔偏位$其方向与大小随着太阳运动轨迹的变化而
变化$增加了施工阶段桥塔线形监控的难度#塔壁局
部温差是由于桥塔外表面温度随日照辐射迅速上
升$而内表面温度因桥塔内腔空气的不流动与混凝
土较差的导热性$温度变化远滞后于桥塔的外表面$
从而在塔壁厚度方向形成较大的非线性温差$通常
大于!%d
$其产生的温度应力可达活载的级别$与其
他荷载组合下易造成桥塔的开裂)
!>$
*
%高原高寒地区
的太阳辐射强$昼夜温差大$会引起超高混凝土桥塔
产生较大的温度效应%
目前$对混凝土桥塔温度效应的研究相对较少$
但与其结构和荷载形式相似的薄壁空心墩的研究较
多$且多局限在某一特定地点与时间%任翔等在某
悬索桥混凝土桥塔日照温度场实测数据的基础上分
析了桥塔塔壁厚度方向最不利温差作用下桥塔的空
间应力分布$结果显示&桥塔内(外壁分别在正(负温
差作用下出现较大的拉应力)
?>#
*
#谢尚英分析了广州
猎德大桥索塔日照温度效应$结果表明&在负温差作
用下$塔壁外表面局部位置的最大主拉应力达到
$:$DCA,
$通过配筋优化可以有效解决混凝土开裂
问题)
@
*
#靳敏超等通过实测数据分析了某主跨为
@&%I
的斜拉桥混凝土桥塔的日照温度场$计算了
混凝土桥塔的温度应力$在温差作用下$塔壁的拉应
力达$:&CA,
$可引起混凝土开裂)
E
*
#樊启武等采用
"E
交!
通!
运!
输!
工!
程!
学!
报$%!"
年
间接耦合法分析了斜拉桥多塔的瞬态温度应力场$认
为采用温差分布的经验公式计算索塔表面温度应力
误差较小)
"
*
#吕文江等计算了三水河特大桥!&%I
高
墩沿厚度方向的温差和墩顶的位移$结果表明&墩身
最大温差达到"d
$最大位移超过@1I
)
&
*
#武立群
建立了幸福源水库大桥!$
%桥墩的!n!
模型$进行
了日照作用下模型温度测试$通过分析方位角(导热
系数与壁板厚度等因素对温度场的影响$提出了适用
于空心桥墩的温差曲线)
D
*
#代璞等基于传热学基本原
理$采用温度>
应力间接耦合方法分析了Q
形截面混
凝土桥塔的温度效应$结果表明&在最不利短期温度
作用下$桥塔表面有出现裂缝的可能$设计时应予以
重视)
!%
*
#孙增智等针对大体积混凝土因水化热引起
的早期开裂问题$分析了环境温度对承台中心温度(
里表温差与表面拉应力的影响$结果表明&里表温差
和表面拉应力都随环境温度增大而减小$且表面拉应
力与环境温度基本呈线性关系)
!!
*
#王鹏等研究了某
斜拉桥混凝土桥塔降温作用下的早期温度收缩裂缝
特性$结果表明&当环境降温与水化热同时作用时$混
凝土桥塔开裂的可能性会大大提高)
!$
*
#
PN,+
7
等通过
实测数据用有限元分析方法研究了仙桃汉江公路大
桥的混凝土桥塔的温度场$结果表明&桥塔最大温差
和最不利温度效应都发生在冬季)
!?
*
%
以上学者分别针对不同地区的混凝土桥塔或空
心高墩进行了日照或寒流作用下的温度场和温度效
应分析$而结构的温度场分布有着较强的地域局限
性$故分析结果难以应用于青海高原高寒地区的混
凝土桥塔%同时$中国-公路桥涵设计通用规范.
!
'/RZE%
+
$%!@
"并未对桥塔的温度作用进行说
明$而-公路斜拉桥设计细则.!
'/R
,
/ ZE@>%!
+
$%%"
"简单地采用了日本-道路桥示方书.中桥塔相
对面e@d
线性温差的建议$因此$对于青海高原
高寒地区混凝土桥塔的温度作用及其温度效应$仍
需进一步分析%
为此$本文以青海黄南地区海黄大桥Q
形桥塔
为研究对象$通过有限元程序建立热传导计算模型$
并与实测结果进行对比验证$在近@
年气象数据的
基础上$对高原高寒地区四季典型气候特点下桥塔
的温度场进行详尽分析$并对桥塔四季的温度效应
进行精细化计算%
<
!
温度场分析方法
<=<
!
日照作用下的热流边界
日照作用下的桥塔结构表面主要存在着?
种
热流$即结构表面所吸收的太阳辐射(结构表面与
环境之间的对流换热以及结构表面与周围环境的
辐射换热%
!=!=!
!
太阳辐射强度
结构表面吸收的太阳辐射强度J3
的计算取决
于海拔(纬度(计算时间(太阳高度角(大气质量系
数(大气透明度(结构走向和材料属性等因素)
!#
*
$即
J3
&$
F
3
&
)
$
F
Y+
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!
'
"
'
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!
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$
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2N
!
(
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!
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"
*
$
!
!
"
式中&
$
为结构表面的短波吸收率#
F
3
为总的太阳辐
射强度#
F
Y+
(
F
YN
分别为法向和水平面的太阳直接辐
射强度#
'
为太阳入射角#
F
2N
为水平面上的散射辐射
强度#
:
为结构表面的倾角#
(
为地面对太阳辐射的
反射率$水面一般取%#$
)
!@
*
%
!=!=$
!
对流换热和辐射换热的热流密度
结构表面与周围环境的对流换热热流密度J1
为
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9
1
!
A
3
(
A
,
" !
$
"
9
1
&
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'
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(
)
*
+
@
!
?
"
式中&
A
3
(
A
,
分别为结构表面温度和气温#
9
1
为对
流换热系数$包含自然对流和风速产生的强制对
流)
!E
*
#
@
为风速%
!!
结构表面与周围环境的辐射换热热流密度J*
为
J*
&
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3
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A
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'
$"?
"
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(
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A
3
'
$"?
"
) *
#
!
#
"
式中&
+
为结构表面辐射率#
>
3
为G58.,+>H(-5_I,++
常数$为@=E"J!%
f&
^
'
I
f$
'
b
f#
%
在已知最高气温A
I,V
和最低气温A
I0+
时$一天
内气温A
,
为)
!"
*
A
,
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!
$
!
A
I,V
'
A
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"
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$
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A
I,V
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A
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"
'
30+
'
!
3
(
D
"
) *
!$
!
@
"
式中&
3
为气温变化时间%
<=@
!
算例验证
对于复杂作用下结构的温度场问题$在现有研
究成果的基础上$需要对边界条件进行准确模拟$宜
采用有限元法进行求解%连续刚构的高墩与斜拉桥
的桥塔为相似的构件$日照产生的温度场有着相似
的分布$因此$本文以洛河特大桥右幅!?
% 墩为
例)
!&
*
$采用实测墩身内外气温$对桥墩温度场进行
计算$测点&
和@m
分别位于桥墩短边外侧中部和长
边内侧中部的位置$见图!
$测点&
和@m
实测值)
!&
*与
本文计算值的对比结果见图$
%
&E
第#
期 张!
宁!等%高原高寒地区Q
形混凝土桥塔日照温度效应
图!
!
测点&
与@m
的位置
X0
7
=!
!
A(3050(+3(.(Y38*W,50(+
4
(0+53&,+2@m
!!
总体来看$计算结果与实测结果整体趋势一致$
最高温度均在下午!?
&
%%
达到最大$由于材料本身
热工参数选取的偏差(对流换热系数选取的偏差以
及大气条件对太阳辐射计算带来的偏差$导致计算
结果与实测存在偏差$最大偏差为!=&"d
$平均偏
差为%="&d
$因此$计算结果完全可以满足实际工
程对精度的要求%
@
!
主塔温度场分析
海黄大桥为双塔双索面钢>
混凝土组合梁半漂
浮体系斜拉桥$跨径组合为!
!%#a!!Ea@E%a!!Ea
!%#
"
I
%主梁采用双边/上0形结合桥面板的整体
断面$主塔采用钢筋混凝土Q
形桥塔$两主塔总高
图$
!
实测数据与有限元计算结果对比
X0
7
=$
!
F(I
4
,*03(+(.58352,5,,+2X6C1,-1)-,50(+*83)-53
度分别为!&E=$
(
!D?=EI
%上塔柱为箱形等截面$
高度为E&=#@I
$截面尺寸为&%%1IJ@%%1I
#中
塔柱高度为"DI
$下塔柱高度为?&="@
(
#E=!@I
$
均为变截面$分别由&%%1IJ@%%1I
(
&%%1IJ
E%%1I
变至&%%1IJE%%1I
和!!%%1IJ&%%1I
%
主桥位置为东经!%$:%l6
(北纬?@:?l;
$桥梁轴线方
位角为?#=%l
!与正南方向夹角"%桥塔断面局部坐
标系见图?
%
@=<
!
模型建立
为了分析一年四季桥塔的典型温度场分布$本
文采用青海气象部门获得的近@
年桥位处的每小时
太阳辐射数据与每小时气温变化数据$剔除不合理
数据$平均后算得四季典型气象数据$取相应的日平
均风速$具体计算参数见表!
%
根据表!
的日照时长和日辐射总量$将直射辐
射强度和散射辐射强度从日辐射总量中分离)
!D
*
$可
以求得四季到达主塔各表面的太阳辐射强度$见图
#
$
"
%可以看出&到达桥塔表面的太阳辐射强度在
图?
!
桥塔断面局部坐标系
X0
7
=?
!
M(1,-1((*20+,583
U
358I(.
4U
-(+1*(3338150(+
冬季最大$春秋次之$夏季最小$这是因为夏季光线
照射在桥塔竖直表面时的太阳入射角最大$接受到
的太阳直接辐射强度则最小$这一点与水平面接收
的太阳辐射有较大区别%
DE
交!
通!
运!
输!
工!
程!
学!
报$%!"
年
表<
!
四季典型气象参数
>,7=<
!
>
+)
1',$5&/&(0($(
3
1',$
)
,0,5&/&0-1"C-&,-("-
参数 春季 夏季 秋季 冬季
计算时间#
月!@
日"
月!@
日!%
月!@
日!
月!@
日
日照时长,N !$=D? !#=!# !!=%@ D=&"
日辐射总量,!
C'
'
I
f$
"
$%=@& $?=E% !?="$ !%=?E
日最高气温,d !E=$ $@=$ !#=$ $=%
日最低气温,d $=! !$=$ !=D f!?=%
日平均风速,!
I
'
3
f!
"
!="? !=@! !=?# !=E$
图#
!
春季桥塔太阳辐射强度
X0
7
=#
!
G(-,**,20,50(+0+58+305083(.
4U
-(+0+3
4
*0+
7
图@
!
夏季桥塔太阳辐射强度
X0
7
=@
!
G(-,**,20,50(+0+58+305083(.
4U
-(+0+3)II8*
!!
混凝土桥塔为细长构件$沿桥塔高度方向热量
传递缓慢$因此$可以将桥塔简化为二维平面进行温
度场的计算)
$%
*
%混凝土采用<H<hKG
中提供的四
结点线性传热四边形单元ZF$Z#
进行模拟$由于桥
塔内部对流与辐射换热等边界条件十分复杂$在缺
乏实测数据的情况下$桥塔内部气温难以获得$因
此$本文将桥塔内部空气采用与混凝土同样的
ZF$Z#
单元进行模拟)
$!
*
$认为空气与混凝土之间
温度与热流连续!第#
类边界条件"$即在程序中采
用/
/L6
0命令进行连接%由于日照温度的变化幅度
图E
!
秋季桥塔太阳辐射强度
X0
7
=E
!
G(-,**,20,50(+0+58+305083(.
4U
-(+0+,)5)I+
图"
!
冬季桥塔太阳辐射强度
X0
7
="
!
G(-,**,20,50(+0+58+305083(.
4U
-(+0+\0+58*
较小$对材料热工参数的影响可以忽略$因此$材料
热工参数可以取定值$见表$
%初始时刻选取日出
前!N
$即温度分布最为均匀的时刻$并对结构进行
连续?2
的计算$取最后一天的温度场作为计算结
果$用以消除初始温度取值的偏差%
表@
!
材料热工参数
>,7=@
!
>.&05,$
)
,0,5&/&0-(#5,/&01,$-
热工参数 混凝土 空气
密度,!
]
7
'
I
f?
"
$@%% !=$D
导热系数,)
^
'!
I
'
b
"
f!
*
$=% %=%$@
比热容,)
'
'!
]
7
'
b
"
f!
*
!%%% !%!%
吸收率)
$$
*
%=@
辐射率%=&@
@=@
!
桥塔表面温差
图&
$
!!
分别为四季桥塔温度随时间变化的
曲线$可以看出&春季与秋季气象条件类似$计算
结果接近$而夏季与冬季差异较大#随着时间的变
化$不同季节桥塔各表面温度变化规律相同$夜晚
%"
第#
期 张!
宁!等%高原高寒地区Q
形混凝土桥塔日照温度效应
各表面温度较低$日出前一小时达到一日最低值$
日出之后$东北面首先接受太阳辐射$冬季太阳入
射角比较小$接受太阳辐射时间较短$所以温度升
高不大$只有昼长较长的夏季才有明显的升温#其
次东南面温度逐渐升高$在!$
&
%%
左右达到最大$
因塔柱;
向与南北向夹角仅为?#l
$故桥塔西南面
受到太阳辐射的时间更长$温度在!E
&
%%
左右达
到最大$夏季最高可达到$D=&Ed
$冬季最高可达
到!%=@&d
#西北面在日落前可以接受到较多太
阳辐射$夏季时昼长最大$温度升高最快$冬季昼
长最短$温度升高最慢#桥塔内部由于大气的不流
动与混凝土较差的导热性$使内部气温变化十分
缓慢#计算结果与混凝土箱梁内部气温实测规
律)
$?>$#
*一致%
图&
!
春季桥塔温度曲线
X0
7
=&
!
/8I
4
8*,5)*81)*W83(.
4U
-(+0+3
4
*0+
7
图D
!
夏季桥塔温度曲线
X0
7
=D
!
/8I
4
8*,5)*81)*W83(.
4U
-(+0+3)II8*
图!$
为桥塔四季纵桥向!
;
向"和横桥向!
C
向"桥主塔表面的温差$可以看出&主塔C
(
;
向温差
均在冬季最大$春秋次之$夏季最小$这一点不同于一
般混凝土箱梁#夏季光线在梁顶水平面形成的入射角
图!%
!
秋季桥塔温度曲线
X0
7
=!%
!
/8I
4
8*,5)*81)*W83(.
4U
-(+0+,)5)I+
图!!
!
冬季桥塔温度曲线
X0
7
=!!
!
/8I
4
8*,5)*81)*W83(.
4U
-(+0+\0+58*
图!$
!
四季桥塔外表面温差
X0
7
=!$
!
/8I
4
8*,5)*820..8*8+183(.
4U
-(+()5>3)*.,183
0+#38,3(+3
最大$而在桥塔竖直面则最小$冬季则相反$因而夏季
箱梁顶面接受的太阳辐射最强$所以夏季顶底板温差
最大$而桥塔表面最大太阳辐射发生在冬季#桥塔;
向与南北夹角仅为?#l
$冬季仅东南面和西南面可以
充分接受太阳辐射$因此$最大桥塔表面温差发生在
!"
交!
通!
运!
输!
工!
程!
学!
报$%!"
年
冬季$
C
向和;
向分别达到D:!@d
(
!!:&&d
$远超
-公路斜拉桥设计细则.!
'/R
,
/ZE@>%!
+
$%%"
"中
e@d
的规定$夏季C
(
;
向最大温差分别为@:!@d
(
#:%?d
#桥塔在春(夏季北面有较强太阳辐射$因
此$出现了一定的反向温差$最大仅为f$:E d
%
表?
给出了四季最大桥塔表面温差%
表B
!
四季桥塔表面最大温差
>,7=B
!
N,*15%5/&5
)
&0,/%0&:1##&0&"'&-(#
)+
$("-%0#,'&-1"C-&,-("- d
方向 春季 夏季 秋季 冬季
纵桥向@=$& #=%? "=?& !!=&&
横桥向@=EE @=!@ E=$? D=!@
@=B
!
塔壁局部温差
桥塔等箱形筒状结构日照作用下沿壁厚方向的
温差分布接近指数形式)
$@
*
$为
A
!
=
"
&
A
%
8
(
*
=
!
E
"
式中&
A
!
=
"为计算点处的温度#
=
为计算点至外表
面距离#
A
%
为壁厚温差#
*
为温度衰减系数$反映了
温差指数分布的陡峭程度%
图!?
为桥塔在四季各壁板内外温差最大时的
表面温度$通过最小二乘法进行拟合$求得A
%
和*
$
便可得到温差分布的指数形式%图!#
$
!"
为春季
各壁板的拟合结果$
A
G6
(
A
;6
(
A
G
和A
;^
分别为桥
塔东南(东北(西南和西北#
个面塔壁拟合后的温度
分布函数%表#
为四季各壁板温差最大时温差分布
拟合的参数A
%
(
*
和决定系数$
$
$可以看出&决定系
数最小为%#D"!?
$拟合精度较高%
图!?
!
四季塔壁最大温差!单位&
d
"
X0
7
=!?
!
C,V0I)I58I
4
8*,5)*820..8*8+183(.
4U
-(+\,--0+#38,3(+3
!
)+05
&
d
"
图!#
!
东南面塔壁温度分布
X0
7
=!#
!
/8I
4
8*,5)*82035*0Y)50(+3(.
4U
-(+\,--0+3()5N8,35
!!
由于桥塔东北面和西北面仅在夏季时可以接收
到较多的太阳辐射$因此$其最大壁板温差发生在夏
季$而东南面和西南面最大壁板温差则发生在冬季%
由于夏季气温较冬季高$壁板受到太阳辐射时的升
温速率较冬季慢$因此$表#
中的*
基本呈现出冬季
大于夏季的现象$即冬季桥塔各壁板的温度分布较
夏季更不均匀$非线性程度更大%
图!@
!
东北面塔壁温度分布
X0
7
=!@
!
/8I
4
8*,5)*82035*0Y)50(+3(.
4U
-(+\,--0++(*5N8,35
B
!
主塔温度效应分析
B=<
!
模型建立
对斜拉桥主塔温度效应的分析主要集中在温度
对主塔偏位和主塔竖向!
Q
向"应力(横向!
C
向"应
力(纵向!
;
向"应力的分析%在分析主塔偏位和竖
向应力时$需要建立桥塔?Z
模型$为了方便在主塔
$"
第#
期 张!
宁!等%高原高寒地区Q
形混凝土桥塔日照温度效应
图!E
!
西南面塔壁温度分布
X0
7
=!E
!
/8I
4
8*,5)*82035*0Y)50(+3(.
4U
-(+\,--0+3()5N\835
图!"
!
西北面塔壁温度分布
X0
7
=!"
!
/8I
4
8*,5)*82035*0Y)50(+3(.
4U
-(+\,--0++(*5N\835
表C
!
四季塔壁局部温差参数
>,7=C
!
?,0,5&/&0-(#$(',$
)+
$("6,$$/&5
)
&0,/%0&
:1##&0&"'&1"C-&,-("-
季节 参数 东南面 东北面 西南面 西北面
春季
夏季
秋季
冬季
A
%
,
d
!?="$ !!=&" !"=%D !?=%@
*
#=@# ?=?" #=%# #=#E
$
$
%=D&&! %=DD$$ %=D&&E %=DD?!
A
%
,
d
!$=#" !$=$$ !@=$@ !?=&@
*
?=$" ?=%E #=%$ #=@%
$
$
%=D"!? %=DD## %=D&"$ %=DD#"
A
%
,
d
!?=$% D="? !"=%? D=&&
*
#=D# ?=E& #=## #=$!
$
$
%=D&ED %=D&ED %=D&#$ %=DD#!
A
%
,
d
!@=$@ D=$" $%="D D=?%
*
@=%! ?=#@ #=@E #=!D
$
$
%=DD#! %=D&D" %=D&?D %=DD?%
各壁厚方向施加上一节计算出的温度梯度$本文采
用<H<hKG
中提供的G&[
八节点厚壳单元简化模
拟桥塔各壁板$由于夜间桥梁截面温度分布较均匀$
本文仅分析"
&
%%
$
!&
&
%%
日照时间内的主塔温度效
应$图!&
为桥塔有限元模型$图!D
为桥塔各壁板温
度荷载%
图!&
!
桥塔有限元模型
X0
7
=!&
!
X0+0588-8I8+5I(28-(.
4U
-(+
图!D
!
桥塔温度荷载
X0
7
=!D
!
/8I
4
8*,5)*8-(,23(+
4U
-(+
进行主塔横向应力分析时$视桥塔为细长构件$
将分析简化为平面应变问题%热力耦合分析可以采
用直接耦合)
$E
*或顺序耦合$
种方式进行$因混凝土
的热工参数随气温的变化可以忽略不计$因此$可调
用<H<hKG
分析热传导分析时的结果文件$直接
进行顺序耦合分析$得到横向应力分析结果%
B=@
!
主塔水平偏位
图$%
为C
向和;
向塔顶偏位在各季节白天的变
化情况$可以看出&塔顶C
(
;
向偏位分别在!$
&
%%
$
!?
&
%%
和!E
&
%%
$
!"
&
%%
达到最大值$与桥塔表面温
差最不利发生的时间一致$四季中冬天温度作用产
生的位移最大$分别达到!?=E$
(
#!=D$II
$夏天则
最小$分别为@=!%
(
!!=!DII
#白天桥梁偏位最大波
动同样在冬季最大$
C
(
;
向分别达到E=!@
(
!"=@?II
$
?"
交!
通!
运!
输!
工!
程!
学!
报$%!"
年
图$%
!
四季塔顶偏位
X0
7
=$%
!
Z03
4
-,18I8+53(.
4U
-(+5(
4
0+#38,3(+3
最小为?=E$
(
&=&@II
$分别发生在春季和夏季%-公
路斜拉桥设计细则.!
'/R
,
/ZE@>%!
+
$%%"
"规定桥
塔施工阶段最大偏位应控制在塔高的!
,
?%%%
内$
对本桥应控制在E$II
内$而冬季温度作用下的最
大偏位已达到#!=D$II
$虽然桥塔在温度作用下
的偏位可以恢复$但这样的偏位足以影响到施工监
测和控制的精度$从而在桥塔施工中产生温度作用
的累积$因此$宜选择在温度变形较小的春季和夏季
进行施工%
图$!
!
四季主塔根部竖向应力
X0
7
=$!
!
98*501,-35*83383(.
4U
-(+Y(55(I0+#38,3(+3
B=B
!
竖向应力分析
图$!
为整体模型桥塔根部最大竖向温度应力
的计算结果$可以看出&桥塔根部的拉应力与压应力
基本保持同样的变化趋势$一日内最大值发生在
!@
&
%%
$
!E
&
%%
$四季内最大值同样是在冬季$由于塔
壁内侧的温度低于外侧$则塔壁的外侧受压$最大压
应力达到&=!&CA,
$内侧受拉$最大拉应力可以达
到$=$CA,
%桥塔在自重及拉索作用下有较大的压
力储备$故桥塔在竖向不至于开裂%
B=C
!
水平向应力分析
图$$
为平面分析下的桥塔最大水平向温度应力
!
C
向和;
向"的计算结果$可以看出&拉应力与压应
力变化趋势相同$同样是冬季最大$但C
向应力较;
向小$与桥塔偏位有相同的规律$其中$
C
向拉应力最
大为%:&$CA,
$
;
向最大拉应力为!=&$CA,
$且基本
同时在下午!@
&
%%
$
!E
&
%%
达到最大值%
图$?
为冬季!@
&
%%
和#
&
%%
的温度应力$可以
看出&
!@
&
%%
最大拉应力位于桥塔西南面的内侧偏
南位置$最大压应力位于桥塔东南面内侧偏南位置$
即南侧内部的混凝土拉应力最大$可能会超过F@%
混凝土的抗拉强度设计值!:&?CA,
$在与其他荷载
组合时$存在开裂的可能#
#
&
%%
外表面温度逐渐降
低$从而在桥塔外表面#
个圆弧转角处出产生了小
范围的拉应力$桥塔内侧混凝土是否开裂难以观测$
但可能会引起壁板内部钢筋锈蚀$因此$建议在桥塔
内壁与外侧倒角处布置一定量钢筋网片$以预防混
凝土温度裂缝的开展%
#"
第#
期 张!
宁!等%高原高寒地区Q
形混凝土桥塔日照温度效应
图$$
!
四季主塔横向最大应力
X0
7
=$$
!
C,V0I)IN(*0_(+5,-35*83383(.
4U
-(+0+#38,3(+3
图$?
!
冬季温度应力分布
X0
7
=$?
!
/8I
4
8*,5)*835*833832035*0Y)50(+30+\0+58*
@"
交!
通!
运!
输!
工!
程!
学!
报$%!"
年
C
!
结!
语
!
!
"采用日照温度边界条件计算方法进行Q
形
混凝土桥塔温度场有限元数值模拟$计算结果偏差
满足实际工程对精度的要求%
!
$
"一年之中桥塔两侧温差在冬季最大$且顺桥
向大于横桥向$夏季最小$横桥向大于顺桥向$其中
冬季温差计算结果远超-公路斜拉桥设计细则.
!
'/R
,
/ZE@>%!
+
$%%"
"中e@d
的规定#南面桥塔
壁局部温差同样在冬季最大$且沿厚度方向的非线性
分布也最强$衰减系数最大$最大温差超过$%d
%
!
?
"一年之中桥塔温度效应在冬季最大$最大桥
塔偏位超过#% II
$白天桥塔偏位变化也超过
!@II
$不利于施工过程中的桥塔偏位监测#在冬季
日照过程中$桥塔塔根竖向与水平向均产生较大拉
应力$且水平拉应力发生在桥塔内侧$在与其他作用
组合时会造成桥塔开裂$建议在桥塔内壁与外侧倒
角处布置一定量钢筋网片$以预防混凝土温度裂缝
的开展%
参考文献!
M&#&0&"'&-
!
)
!
*
!
唐红元=
斜拉桥预应力混凝土索塔关键问题研究)
Z
*
=
南京&
东南大学$
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7
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薄壁箱形混凝土桥塔温度应力场
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广西大学学报&自然科学版$
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混凝土桥塔温度场和空间应力场
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斜拉桥索塔裂缝的温变特性研
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