鋼混凝土疊合梁斜拉橋日照溫度效應研究

1、鋼混凝土疊合梁斜拉橋日照溫度效應研究 斜拉橋是一種古老而新興的橋型，種類較多，各有特色，構成了橋梁家族的一個龐大而活躍的分支。隨著設計與施工經(jīng)驗的積累、新材料的涌現(xiàn)、理論工作的深入和計算機技術的完善，斜拉橋向著即輕又強、既長又剛的方向發(fā)展。目前，斜拉橋的抗風、抗震、抗撞以及本課題所關注的溫度效應分析本課題所關注的溫度效應分析等領域已成為橋梁科研領域的熱門。 四方臺大橋為雙塔雙索面支承體系疊合梁斜拉橋，全長，主橋長四方臺大橋為雙塔雙索面支承體系疊合梁斜拉橋，全長，主橋長696m，其橋跨布置為其橋跨布置為44m+136m+336m+136m+44m,引橋長引橋長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。橋面板為混凝土實心板，厚，通過布置在鋼主梁及鋼橫梁上下翼緣寬度均為。橋面板為混凝土實心板，厚，通過布置在鋼主梁及鋼橫梁頂?shù)募袅︶斉c鋼梁結合。斜拉索為采用熱擠聚乙烯鋼纜，

3、中間為頂?shù)募袅︶斉c鋼梁結合。斜拉索為采用熱擠聚乙烯鋼纜，中間為7低松弛預應低松弛預應力高強度鋼絲，外包力高強度鋼絲，外包PE防護材料。全橋共計斜拉索防護材料。全橋共計斜拉索52對對104根，呈空間扇形布根，呈空間扇形布置。南北橋塔基礎各置置。南北橋塔基礎各置26根直徑為根直徑為2m的鉆孔灌注樁，樁長均為的鉆孔灌注樁，樁長均為70m。136 m336 m136 m44 m696 m44 m 四方臺（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： 這就是導熱基本定律這就是導熱基本定律(又稱為傅里葉定律又稱為傅里葉定律)的數(shù)學表達式。式的數(shù)學表達式。式中的負號表示熱量傳

4、遞的方向指向溫度降低的方向，中的負號表示熱量傳遞的方向指向溫度降低的方向，被稱為被稱為導熱率，或稱導熱系數(shù)。傅里葉定律的文字表達是：在導熱現(xiàn)導熱率，或稱導熱系數(shù)。傅里葉定律的文字表達是：在導熱現(xiàn)象中，單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比于垂直于該截面象中，單位時間內(nèi)通過給定截面的熱量，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 對于一些物體形狀規(guī)則、邊界條件簡單的傳熱學問題，用微積分的經(jīng)典方法是對于一些物體形狀規(guī)則、邊界條件簡單的傳熱學問題，用微積分的經(jīng)典方法是可以得到溫度場的解析解的。但是對于物體形狀和邊界條件都十分復雜的問題，解可以得到溫度場的解析解的。但是對于物體形狀和邊界

6、條件都十分復雜的問題，解得溫度場的解析解幾乎是無法完成的，求解橋梁結構的溫度場就是這樣。然而，基得溫度場的解析解幾乎是無法完成的，求解橋梁結構的溫度場就是這樣。然而，基于數(shù)值計算技術的有限元方法卻能夠很好地解決這個問題。有限元算法最早是在于數(shù)值計算技術的有限元方法卻能夠很好地解決這個問題。有限元算法最早是在1943年被提出來的，它是解決結構和連續(xù)介質力學問題的一種近似方法，也可以被年被提出來的，它是解決結構和連續(xù)介質力學問題的一種近似方法，也可以被用來解其他類型的場問題。有限元法的基本思路是將一個連續(xù)求解區(qū)域分割成有限用來解其他類型的場問題。有限元法的基本思路是將一個連續(xù)求解區(qū)域分割成有限個數(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)。首先設定每個單元。首先設定每個單元內(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)來描述單元的行為特性。然后將各來描述單元的行為特性。然后將各單元的關系式結合成議程組，解方程組求出這些未知參數(shù)。如果將區(qū)域劃分成很細單元的關系式結合成議程組，解方程組求出這些未知參數(shù)。如果將區(qū)域劃分成很細的網(wǎng)格，當單元的尺寸變得越來越小時，場變量離散化的誤差消失，就可以認為得的網(wǎng)格，當單元的尺寸變得越來越小時，場變量離散化的誤差消失，就可以認為得到了精確解答到了精確解答 。

8、VatTTnaTJqHqRqGAqURqBqKqVTBKJHRGAURqqqqqqq400422coscos100sin11cos114sincos4242100LLLmTVKBKVBLSBLSmTmTmmBKukukukukBLSaKaaBLSTATJ qCCAJqrqrqrqrCTTC mT0msITTsTI0STsT時間時間5:007:509:5011:3013:4515:4016:4518:45溫度（溫度（）14.019.522.024.027.025.024.020.0時間溫度（）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ldhP太陽光線赤道NO緯度緯度l、時角、時角h、太陽赤緯、太陽赤緯d的空間關系圖的空間關系圖 太陽水平面WNSEP太陽高度角太陽高度角 與太陽方位角與太陽方位角 的空間關系圖的空間關系圖 sincos cos cossin sinlhdldsincossinsecdhcoscos cos cossinsin時間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輻射強度（）時 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 高 度 角 太 陽 方 位 角 度 數(shù)鋼混凝土瀝青導熱系數(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實測值計算值()1040353025201550時間5:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019:0018:0017:0016:0015:00計算值實測值4020253035151050時間15:0016:

18、0017:0018:0019:0010:0011:0012:0013:0014:009:008:007:006:005:00計 算 值實 測 值40202530351510505:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019:0018:0017:0016:0015:00時 間溫度測點布置圖 測點1溫度計算值與實測值比較圖 測點2溫度計算值與實測值比較圖 測點3溫度計算值與實測值比較圖 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 上部結構高度上上(下下)游索力游索力ANSYS計算值與設計值對比圖計算值與設計值對比圖軸力（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10-4040索號10-4040索號10-4040索號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時間45 用第三類邊界條件的非穩(wěn)態(tài)溫度場地有限元方法得出了四方臺大橋塔柱截面各側用第三類邊界條件的非穩(wěn)態(tài)溫度場地有限元方法得出了四方臺大橋塔柱截面各側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的這段時間內(nèi)的溫度分布。的這段時間內(nèi)的溫度分布。 21.720.416.416.719.616.123.417.022.716.929.817

27、.2EWSEWEWNEENEESEE9:00時的南塔東柱標準截面各側面壁時的南塔東柱標準截面各側面壁厚度方向上的溫度分布厚度方向上的溫度分布 9:00時的南塔東柱標準截面時的南塔東柱標準截面 溫度云圖溫度云圖 至此，四方臺大橋各主要部位至此，四方臺大橋各主要部位(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單元，故必須對模型進行改造以考慮日照溫差在升降溫的梁單元，故必須對模型進行改造以考慮日照溫差在構件截面上形成的非線性溫度分布對結構內(nèi)力產(chǎn)生的影響。構件截面上形成的非線性溫度分布對結構內(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行分層處理的以進行分層處理的SHELL91單元。單元。SHELL91單元的特點是單元的特點是可以在單元內(nèi)的層與層之間施加不同的溫度，進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。工況編號工況情形溫度最大差

29、值（）該工況出現(xiàn)時刻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到最大12.517:30工況編號工況情形溫度最大差值（）該工況出現(xiàn)時刻3EE與EW、WE與WW正溫差達到最大值11.29:304EE與EW、WE與WW負溫差達到最大值11.516:305EES與EEN溫差達到最大值6.215:306WWS與WWN溫差達到最大值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