鋼混凝土疊合梁斜拉橋日照溫度效應(yīng)研究

1、鋼混凝土疊合梁斜拉橋日照溫度效應(yīng)研究 斜拉橋是一種古老而新興的橋型，種類較多，各有特色，構(gòu)成了橋梁家族的一個(gè)龐大而活躍的分支。隨著設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)的積累、新材料的涌現(xiàn)、理論工作的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)的完善，斜拉橋向著即輕又強(qiáng)、既長(zhǎng)又剛的方向發(fā)展。目前，斜拉橋的抗風(fēng)、抗震、抗撞以及本課題所關(guān)注的溫度效應(yīng)分析本課題所關(guān)注的溫度效應(yīng)分析等領(lǐng)域已成為橋梁科研領(lǐng)域的熱門。 四方臺(tái)大橋?yàn)殡p塔雙索面支承體系疊合梁斜拉橋，全長(zhǎng)，主橋長(zhǎng)四方臺(tái)大橋?yàn)殡p塔雙索面支承體系疊合梁斜拉橋，全長(zhǎng)，主橋長(zhǎng)696m，其橋跨布置為其橋跨布置為44m+136m+336m+136m+44m,引橋長(zhǎng)引橋長(zhǎng)572.86m(主橋橋型圖下圖所主橋

2、橋型圖下圖所示示)。主橋采用了門式橋塔，南塔高，北塔高，橋面以上高度均為。距塔頂。主橋采用了門式橋塔，南塔高，北塔高，橋面以上高度均為。距塔頂25m和和92m分別設(shè)一道橫梁和牛腿。主梁截面以兩工字鋼邊梁肋、橫梁及中間分別設(shè)一道橫梁和牛腿。主梁截面以兩工字鋼邊梁肋、橫梁及中間小縱梁與混凝土橋面板形成組合截面。兩工字鋼邊梁肋間距為，工字鋼梁高為，小縱梁與混凝土橋面板形成組合截面。兩工字鋼邊梁肋間距為，工字鋼梁高為，上下翼緣寬度均為。橋面板為混凝土實(shí)心板，厚，通過(guò)布置在鋼主梁及鋼橫梁上下翼緣寬度均為。橋面板為混凝土實(shí)心板，厚，通過(guò)布置在鋼主梁及鋼橫梁頂?shù)募袅︶斉c鋼梁結(jié)合。斜拉索為采用熱擠聚乙烯鋼纜，

3、中間為頂?shù)募袅︶斉c鋼梁結(jié)合。斜拉索為采用熱擠聚乙烯鋼纜，中間為7低松弛預(yù)應(yīng)低松弛預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度鋼絲，外包力高強(qiáng)度鋼絲，外包PE防護(hù)材料。全橋共計(jì)斜拉索防護(hù)材料。全橋共計(jì)斜拉索52對(duì)對(duì)104根，呈空間扇形布根，呈空間扇形布置。南北橋塔基礎(chǔ)各置置。南北橋塔基礎(chǔ)各置26根直徑為根直徑為2m的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)均為的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)均為70m。136 m336 m136 m44 m696 m44 m 四方臺(tái)（松花江南岸） 松北鎮(zhèn)（松花江北岸）tAx引入比例常數(shù)可得：引入比例常數(shù)可得： 這就是導(dǎo)熱基本定律這就是導(dǎo)熱基本定律(又稱為傅里葉定律又稱為傅里葉定律)的數(shù)學(xué)表達(dá)式。式的數(shù)學(xué)表達(dá)式。式中的負(fù)號(hào)表示熱量傳

4、遞的方向指向溫度降低的方向，中的負(fù)號(hào)表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向，被稱為被稱為導(dǎo)熱率，或稱導(dǎo)熱系數(shù)。傅里葉定律的文字表達(dá)是：在導(dǎo)熱現(xiàn)導(dǎo)熱率，或稱導(dǎo)熱系數(shù)。傅里葉定律的文字表達(dá)是：在導(dǎo)熱現(xiàn)象中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，正比于垂直于該截面象中，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)給定截面的熱量，正比于垂直于該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。升高的方向相反。tAx oz x y y x z z + dzdx + x y + dx ytdxdzy ztdxdyz xtdydzx x dxxxttdxdydz dxx

5、xxy dyyyttdydxdz dyyyyz dzzzttdzdxdy dzzzzdxdydztcdxdydzttttcxxyyzz222222ttttaxyzc222222ttttaxyz2222220tttaxyzc2222220tttxyz/()ac222222ttttaxyz0, ,tf x y, ,tq x ynVTVatTTn 對(duì)于一些物體形狀規(guī)則、邊界條件簡(jiǎn)單的傳熱學(xué)問(wèn)題，用微積分的經(jīng)典方法是對(duì)于一些物體形狀規(guī)則、邊界條件簡(jiǎn)單的傳熱學(xué)問(wèn)題，用微積分的經(jīng)典方法是可以得到溫度場(chǎng)的解析解的。但是對(duì)于物體形狀和邊界條件都十分復(fù)雜的問(wèn)題，解可以得到溫度場(chǎng)的解析解的。但是對(duì)于物體形狀和邊界

6、條件都十分復(fù)雜的問(wèn)題，解得溫度場(chǎng)的解析解幾乎是無(wú)法完成的，求解橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)就是這樣。然而，基得溫度場(chǎng)的解析解幾乎是無(wú)法完成的，求解橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)就是這樣。然而，基于數(shù)值計(jì)算技術(shù)的有限元方法卻能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。有限元算法最早是在于數(shù)值計(jì)算技術(shù)的有限元方法卻能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題。有限元算法最早是在1943年被提出來(lái)的，它是解決結(jié)構(gòu)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的一種近似方法，也可以被年被提出來(lái)的，它是解決結(jié)構(gòu)和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題的一種近似方法，也可以被用來(lái)解其他類型的場(chǎng)問(wèn)題。有限元法的基本思路是將一個(gè)連續(xù)求解區(qū)域分割成有限用來(lái)解其他類型的場(chǎng)問(wèn)題。有限元法的基本思路是將一個(gè)連續(xù)求解區(qū)域分割成有限個(gè)數(shù)

7、目的不重疊且按一定方式相互連接在一起的單子域個(gè)數(shù)目的不重疊且按一定方式相互連接在一起的單子域(單元單元)。首先設(shè)定每個(gè)單元。首先設(shè)定每個(gè)單元內(nèi)的近似解，并用有限數(shù)目的未知參數(shù)內(nèi)的近似解，并用有限數(shù)目的未知參數(shù)(自由度自由度)來(lái)描述單元的行為特性。然后將各來(lái)描述單元的行為特性。然后將各單元的關(guān)系式結(jié)合成議程組，解方程組求出這些未知參數(shù)。如果將區(qū)域劃分成很細(xì)單元的關(guān)系式結(jié)合成議程組，解方程組求出這些未知參數(shù)。如果將區(qū)域劃分成很細(xì)的網(wǎng)格，當(dāng)單元的尺寸變得越來(lái)越小時(shí)，場(chǎng)變量離散化的誤差消失，就可以認(rèn)為得的網(wǎng)格，當(dāng)單元的尺寸變得越來(lái)越小時(shí)，場(chǎng)變量離散化的誤差消失，就可以認(rèn)為得到了精確解答到了精確解答 。

8、VatTTnaTJqHqRqGAqURqBqKqVTBKJHRGAURqqqqqqq400422coscos100sin11cos114sincos4242100LLLmTVKBKVBLSBLSmTmTmmBKukukukukBLSaKaaBLSTATJ qCCAJqrqrqrqrCTTC mT0msITTsTI0STsT時(shí)間時(shí)間5:007:509:5011:3013:4515:4016:4518:45溫度（溫度（）14.019.522.024.027.025.024.020.0時(shí)間溫度（）251555:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019

9、:0018:0017:0016:0015:000102030工字鋼邊梁肋工字鋼邊梁肋混凝土橋面板混凝土橋面板瀝青鋪裝層瀝青鋪裝層0.240.550.8511dsJJJdsIIIcosddIJ2cos42ssIJ水平面PSNWE水平面法線被輻射面法線被輻射面太陽(yáng)ldhP太陽(yáng)光線赤道NO緯度緯度l、時(shí)角、時(shí)角h、太陽(yáng)赤緯、太陽(yáng)赤緯d的空間關(guān)系圖的空間關(guān)系圖 太陽(yáng)水平面WNSEP太陽(yáng)高度角太陽(yáng)高度角 與太陽(yáng)方位角與太陽(yáng)方位角 的空間關(guān)系圖的空間關(guān)系圖 sincos cos cossin sinlhdldsincossinsecdhcoscos cos cossinsin時(shí)間19:0018:0017:

10、0016:0015:0014:0013:0012:0011:0010:009:008:007:006:005:00散射輻射直接輻射25006007009008003004002001000輻射強(qiáng)度（）時(shí) 間19:0018:0017:0016:0015:0014:0013:0012:0011:0010:009:008:007:006:001101009080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-1105:00太 陽(yáng) 高 度 角 太 陽(yáng) 方 位 角 度 數(shù)鋼混凝土瀝青導(dǎo)熱系數(shù) (W/mK)36.72.850.74密度 (kg/m3)79002

11、5002120比熱容c (J/kgK)531912928W6W10E10E6WEB1T1W13W9W11W7W8W5W4W12W3W2W1E1E2E3E12E4E5E8E7E11E9E13mT( W/m2K ) (W/m2K)T125.12E17、W1717.51E8、W812.78B1、E913、W9139.845:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00T115.720.327.435.342.648.352.254.054.050.845.439.232.725.819.5E126.538.8

12、47.551.150.144.937.429.631.532.030.728.926.823.619.4E222.130.837.140.039.936.932.528.029.730.229.027.425.722.919.4E317.522.526.428.629.328.627.326.227.928.327.325.924.622.319.3E414.716.919.121.122.824.225.727.529.329.728.627.025.422.819.4E517.522.526.428.629.328.627.326.227.928.327.325.924.622.319.3

13、E614.717.821.926.129.832.835.027.529.329.728.627.025.422.819.4E717.522.526.428.629.328.627.326.227.928.327.325.924.622.319.3E814.917.219.521.623.425.026.528.530.330.729.627.926.123.119.4E914.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4E1015.217.519.922.224.125.827.529.531.431.930.728.92

14、6.823.519.4E1114.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4E1215.217.519.922.224.125.827.529.531.431.930.728.926.823.519.4E1314.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4W115.217.519.922.224.125.827.529.548.956.656.352.746.738.931.2W214.817.019.321.323.024.526.027.941.0

15、46.145.542.838.632.827.0W314.316.518.620.521.923.224.526.232.835.334.532.630.226.622.7W414.716.919.121.122.824.225.727.529.329.728.627.025.422.819.4W514.316.518.620.521.923.224.526.232.835.334.532.630.226.622.7W614.716.919.121.122.824.225.727.537.636.633.830.627.423.419.4W714.316.518.620.521.923.224

16、.526.232.835.334.532.630.226.622.7W814.917.219.521.623.425.026.528.530.330.729.627.926.123.119.4W914.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4W1015.217.519.922.224.125.827.529.531.431.930.728.926.823.519.4W1114.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4W1215.217.519.92

17、2.224.125.827.529.531.431.930.728.926.823.519.4W1314.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4B116.819.322.225.227.930.532.935.537.838.336.834.230.825.819.6實(shí)測(cè)值計(jì)算值()1040353025201550時(shí)間5:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019:0018:0017:0016:0015:00計(jì)算值實(shí)測(cè)值4020253035151050時(shí)間15:0016:

18、0017:0018:0019:0010:0011:0012:0013:0014:009:008:007:006:005:00計(jì) 算 值實(shí) 測(cè) 值40202530351510505:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019:0018:0017:0016:0015:00時(shí) 間溫度測(cè)點(diǎn)布置圖 測(cè)點(diǎn)1溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較圖 測(cè)點(diǎn)2溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較圖 測(cè)點(diǎn)3溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較圖 035251540302010505102030405:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017

19、:0018:0019:0015253500.120.240.360.840.720.600.481.201.321.441.561.080.961.801.922.282.162.041.6819:0018:0017:0016:0015:0014:0013:0012:0011:0010:009:008:007:006:005:001.682.042.162.281.921.800.961.081.561.441.321.200.480.600.720.840.360.240.120工字鋼部分混凝土行車道板層瀝青鋪裝層瀝青鋪裝層混凝土行車道板層工字鋼部分溫度()溫度()距頂層距離(m )距頂層距

20、離(m )東梁肋中線上的溫度分布圖 西梁肋中線上的溫度分布圖 上部結(jié)構(gòu)高度上上(下下)游索力游索力ANSYS計(jì)算值與設(shè)計(jì)值對(duì)比圖計(jì)算值與設(shè)計(jì)值對(duì)比圖軸力（kN）順橋向彎矩（kNm）橫橋向彎矩（kNm）順橋向剪力（kN）橫橋向剪力（kN）南塔北塔南塔北塔南塔北塔南塔北塔南塔北塔-401153201133903378.43164.8109620104930201.77214.581119.91114.8101159901139608052.48356.14406042220302.79332.59464.12459.114011639011431010857114714725.24595.6363

21、.4403.3970.67365.662下游主梁跨中彎矩（kNm）下游主梁南塔牛腿處彎矩（kNm）下游主梁跨中剪力（kN）下游主梁南塔牛腿處剪力（kN）下游主梁跨中軸力（kN）下游主梁南塔牛腿處軸力（kN）-4013145795.6754.5617103586.511169101476.94716.6760.941559.43913.910407401574.74069.2764.7714694110.49950索號(hào)10-4040索號(hào)10-4040索號(hào)10-4040索號(hào)10-4040增量增量增量增量增量增量增量增量SS13646063206544SC1238422852443NC1362336

22、2256238NS1241023162467-14084-9959-85-9457SS12570255355802SC2246624302488NC12567056715669NS2249824612521-167100-36221-1-3723SS11457644154672SC3300930013013NC11469747014694NS3305030443054-16196-844-3-64SS10412139904200SC4310531103103NC10427742824273NS4314431523139-131795-25-48-5SS9379037013843SC531923

23、1993187NC9391939243916NS5321632233211-89537-55-37-5SS8390438483938SC6349535033491NC8399540013992NS6349334913495-56348-56-3-22SS7397639503991SC7402140284016NC7402040264017NS7397539503990-26157-56-3-2515SS6349434923495SC8399540033991NC6349535003491NS8390338503936-218-45-4-5333SS5321632253211SC93919392

24、53915NC5318931943185NS93789370538409-56-45-4-8451SS4314331523138SC10427542804272NC4309631003094NS104120399541959-55-34-2-12575SS3304730383052SC11469346944693NC3298829822991NS11457444214666-9510-63-15392SS2249124442519SC12566256515668NC2244024122457NS12569955395795-4728-116-2817-16096SS1239622792466S

25、C13621961896237NC1237022932417NS13645563196537-11770-3018-7747-13682體系升（降）溫狀況下索力值變化百分比曲線圖體系升（降）溫狀況下索力值變化百分比曲線圖 綜合以上的分析，我們得到這樣的結(jié)論：體系溫差給斜拉橋內(nèi)力造成綜合以上的分析，我們得到這樣的結(jié)論：體系溫差給斜拉橋內(nèi)力造成的影響主要反映在橋塔上，主梁次之，斜拉索最小。其中，體系溫差給橋的影響主要反映在橋塔上，主梁次之，斜拉索最小。其中，體系溫差給橋塔內(nèi)力造成的影響又主要反映在塔柱根部的彎矩上，又以橫橋向彎矩最為塔內(nèi)力造成的影響又主要反映在塔柱根部的彎矩上，又以橫橋向彎矩最為顯

26、著。顯著。下游號(hào)索索溫蔽日處大氣溫度溫度（）4035302010015:0016:0017:0018:0019:0010:0011:0012:0013:0014:009:008:007:006:005:0051525時(shí)間45 用第三類邊界條件的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)地有限元方法得出了四方臺(tái)大橋塔柱截面各側(cè)用第三類邊界條件的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)地有限元方法得出了四方臺(tái)大橋塔柱截面各側(cè)面壁厚度方向上在面壁厚度方向上在2004年年8月月19日這天從日這天從5:00至至19:00的這段時(shí)間內(nèi)的溫度分布。的這段時(shí)間內(nèi)的溫度分布。 21.720.416.416.719.616.123.417.022.716.929.817

27、.2EWSEWEWNEENEESEE9:00時(shí)的南塔東柱標(biāo)準(zhǔn)截面各側(cè)面壁時(shí)的南塔東柱標(biāo)準(zhǔn)截面各側(cè)面壁厚度方向上的溫度分布厚度方向上的溫度分布 9:00時(shí)的南塔東柱標(biāo)準(zhǔn)截面時(shí)的南塔東柱標(biāo)準(zhǔn)截面 溫度云圖溫度云圖 至此，四方臺(tái)大橋各主要部位至此，四方臺(tái)大橋各主要部位(梁、索、塔梁、索、塔)的日照溫度分的日照溫度分布都是已知條件了。下一步就是要根據(jù)溫度分布把溫度荷載布都是已知條件了。下一步就是要根據(jù)溫度分布把溫度荷載施加到模型上去。由于在用于計(jì)算體系溫差造成的溫度內(nèi)力施加到模型上去。由于在用于計(jì)算體系溫差造成的溫度內(nèi)力的有限元模型中，主塔和主梁的單元采用的是只能考慮整體的有限元模型中，主塔和主梁的單

28、元采用的是只能考慮整體升降溫的梁?jiǎn)卧?，故必須?duì)模型進(jìn)行改造以考慮日照溫差在升降溫的梁?jiǎn)卧时仨殞?duì)模型進(jìn)行改造以考慮日照溫差在構(gòu)件截面上形成的非線性溫度分布對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響。構(gòu)件截面上形成的非線性溫度分布對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生的影響。筆者將原全橋模型中的筆者將原全橋模型中的BEAM188和和SHELL63單元置換為可單元置換為可以進(jìn)行分層處理的以進(jìn)行分層處理的SHELL91單元。單元。SHELL91單元的特點(diǎn)是單元的特點(diǎn)是可以在單元內(nèi)的層與層之間施加不同的溫度，進(jìn)而可以模擬可以在單元內(nèi)的層與層之間施加不同的溫度，進(jìn)而可以模擬截面帶有梯度的溫度分布。截面帶有梯度的溫度分布。工況編號(hào)工況情形溫度最大差

29、值（）該工況出現(xiàn)時(shí)刻1東邊梁肋混凝土行車道板頂層與鋼梁腹板中部的溫差達(dá)到最大10.56:302西邊梁肋混凝土行車道板頂層與鋼梁腹板中部的溫差達(dá)到最大12.517:30工況編號(hào)工況情形溫度最大差值（）該工況出現(xiàn)時(shí)刻3EE與EW、WE與WW正溫差達(dá)到最大值11.29:304EE與EW、WE與WW負(fù)溫差達(dá)到最大值11.516:305EES與EEN溫差達(dá)到最大值6.215:306WWS與WWN溫差達(dá)到最大值7.814:00疊合梁的溫度分布最不利工況表疊合梁的溫度分布最不利工況表塔柱的溫度分布最不利工況表塔柱的溫度分布最不利工況表 工況軸力（kN）順橋向彎矩（kNm）橫橋向彎矩（kNm）順橋向剪力（kN

30、）橫橋向剪力（kN）東柱西柱東柱西柱東柱西柱東柱西柱東柱西柱恒載1159901159908052.48052.44406044060302.79302.79464.12464.121118078 117498 9042.8 9244.2 57851 34499 299.16 313.69 514.24 477.58 2118310 117730 7303.5 7158.6 27141 59525 340.03 310.66 488.72 394.04 3115178 114598 9002.6 9171.7 63887 30049 285.23 327.62 472.47 324.88 411

31、7730 114830 7223.0 7142.5 13086 74197 330.34 324.89 -278.47 1160.30 5117382 115178 7021.7 6957.3 -22162 110062 368.80 372.73 -139.24 1058.19 6117150 115410 6844.5 6675.4 4318 88340 350.03 354.57 -51.05 920.35 工況主梁跨中彎矩（kNm）主梁南塔牛處彎矩（kNm）主梁跨中剪力（kN）主梁南塔牛腿處剪力（kN）主梁跨中軸力（kN）主梁南塔牛腿處軸力（kN）東梁西梁東梁西梁東梁西梁東梁西梁東梁西梁東梁西梁恒載1476.91476.94716.64716.6760.94760.941559.41559.43913.93913.9104071040711565.5 1494.6 4461.9 4617.6 751.81 733.55 1609.3 1593.7 4140.9 4039.1