四肢桁架鋼管拱肋吊裝時溫度變形及應力分析

郭春華 朱忠義 黃紅兵

0 引言

鋼管混凝土拱肋是由外包鋼管和內(nèi)部核心混凝土這兩種傳熱性能和力學性能都相差很大的材料組成,因此其溫度效應問題與普通鋼橋梁和普通混凝土橋梁比較有很大的差別[1-6]。為了更好地研究鋼管混凝土拱肋溫度效應,對純粹鋼管即鋼管拱肋吊裝階段的溫度效應進行分析,同時其研究可為鋼管混凝土拱肋的施工提供參考。

本文以ANSYS通用有限元軟件建立四肢桁架鋼管拱肋吊裝階段溫度變形及應力分析計算模型,計算空鋼管吊裝節(jié)段的溫度場、溫度位移、溫度應力,并與實測數(shù)據(jù)進行對比分析,掌握其變化規(guī)律并為空鋼管混凝土吊裝的線形控制提供依據(jù),提高拱肋安裝精度。

1 計算模型

以ANSYS通用有限元軟件建立計算模型,拱腳按固結(jié)考慮,拱肋上、下啞鈴和腹桿都用梁單元模擬,桿件之間的連接全按固結(jié)計算。計算時只考慮溫度作用,不考慮其他荷載。拱肋計算模型如圖1,圖2所示。

計算時溫度作用取兩種工況。工況1:均勻升溫20℃;工況2:均勻升溫+考慮拱肋截面的非線性溫度場。

通過有限元仿真計算,當拱肋整體均勻升溫20℃時,拱肋豎向位移計算拱頂位移最大,上升48.7mm,拱肋應力較小。

在日照作用下,拱肋斷面的溫度分布非常復雜,拱肋梯度溫差包括兩層含義:其一是上啞鈴與下啞鈴的溫度之差,在晴天日照情況下,上拱肋直接受日照作用,其平均溫度要比下啞鈴高出很多;另外一層含義是上啞鈴本身截面內(nèi)的非線性溫度分布,一般來說這種情況對拱肋整體變形影響較小,但對拱肋局部受力有一定影響。

通過鋼管日照溫度場的有限元分析,計算南半拱(南拱腳、1/4L),拱頂及北半拱(3/4L、北拱腳)溫度位移情況。拱肋合龍溫度按20℃計。限于篇幅,僅給出某典型晴天下午15:30分,大氣溫度為26.4℃,風速為3級時,拱頂和北拱腳的溫度場計算結(jié)果,如圖3,圖4所示。

在大氣溫度溫差為20℃時,考慮拱肋截面的非線性溫度場時,拱肋豎向位移計算結(jié)果拱頂位移最大,上升 48.8mm,與工況1幾乎沒有差別,說明拱肋溫度位移主要受整體平均升降溫幅度影響。拱肋應力與工況1比較,拱肋中應力明顯要大,說明啞鈴管中的溫度差會在拱肋中引起較大的溫度次應力。

2 現(xiàn)場試驗

連續(xù)觀察典型環(huán)境下對鋼管構(gòu)件截面的溫度變化情況,同時進行風速、氣溫和拱肋變形觀測,觀測間隔與溫度場測試間隔相同,同步進行。實際橋梁鋼管表面采用表面溫度計(點溫計)測試,鋼管表面溫度測點布置如圖5所示。

通過在晴天情況下連續(xù)觀察可知:1)日照下拱肋整體溫度高于大氣溫度,大氣溫度達到20℃以上時,Z1等直接受日照作用測點往往高于大氣溫度10℃以上,L5等背陽測點基本保持與大氣溫度一致;2)上拱肋平均溫度要比下啞鈴高,同時鋼管桁架本身截面內(nèi)存在較大的非線性溫度分布,測點間最大溫差同樣在10℃以上;3)夜間拱肋整體溫度可低于大氣溫度,拱肋整體溫度可低于大氣溫度2℃以上,但鋼管桁架非線性溫度分布不明顯。

故在通過有限元分析鋼管拱肋吊裝階段的溫度效應時,晴朗工況下最高溫度取值應高于大氣最高溫度10℃～15℃,濕冷工況下最低溫度取值應低于大氣最低溫度1℃～2℃。通過在此取值下鋼管拱肋吊裝階段的撓度和應力計算結(jié)果,與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較較為吻合。

3 結(jié)語

空鋼管拱肋安裝后,在受到日照和氣溫等影響而引起的鋼管拱肋溫度變化,會使其產(chǎn)生較明顯的溫度位移。拱肋豎向溫度位移主要取決于整體升降溫幅度,溫度梯度對拱肋位移影響較小。整體升降溫引起溫度次應力較小,但溫度梯度(上下管溫差)可引起較大的次應力。

計算鋼管拱肋吊裝階段的撓度和應力時,晴朗工況下最高溫度取值應高于大氣最高溫度10℃～15℃,濕冷工況下最低溫度取值應低于大氣最低溫度1℃～2℃。

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