混凝土箱梁橫截面溫度場的實測與仿真分析

丁笑笑，劉 凡

(蘇州科技學院)

混凝土箱梁橫截面溫度場的實測與仿真分析

丁笑笑，劉 凡

(蘇州科技學院)

通過實測混凝土箱梁模型的溫度場同時用有限元軟件模擬驗證，得到溫度影響下的混凝土箱梁橫截面各部位的溫度場的變化情況，在此基礎上結合實測數(shù)據(jù)與模擬計算數(shù)據(jù)，提出了混凝土箱梁橫截面頂板的溫度差計算模式的建議。

混凝土箱梁;溫度場;溫度梯度

0 引言

箱梁因其良好的受力性能在現(xiàn)代大型結構尤其是橋梁中得到廣泛應用，但因其長期受自然環(huán)境及日照作用的周期性影響，導致混凝土箱梁結構產(chǎn)生的隨時間變化的非線性溫度應變，而當這種溫度應變受到結構的內、外約束阻礙時，會產(chǎn)生很大的溫度應力。近年來，國內外不斷有溫度應力導致的箱梁裂損事故。而要準確確定溫度對箱梁的影響就要明確溫度應力的分布及其形成因素。

本文通過試驗實測出混凝土箱梁沿橫截面的溫度場分布，同時用有限元軟件模擬驗證，在此基礎上擬合出一種適合本地區(qū)的溫度梯度模式，供工程實踐參考。

1 箱梁溫度場的實測與數(shù)據(jù)分析

由于箱梁受野外工作環(huán)境不確定因素的影響較多，采用室內光照加載的方式模擬了室外太陽輻射、氣溫升高的自然環(huán)境，實測混凝土箱梁(簡支梁)實體模型內的溫度變化情況。模型長2 m。

梁高0.6 m，頂寬0.8 m，底寬0.4 m，箱梁尺寸及配筋如圖1所示。

圖1 箱梁尺寸圖

選取箱梁跨中斷面為溫度觀測截面并將溫度傳感器預埋在截面相應的測點位置，溫度傳感器采用江蘇潤江產(chǎn)的JDC－2混凝土溫度傳感器，測試儀器采用配套的電子測溫儀。記錄觀測時間、環(huán)境溫度、混凝土表面溫度、箱內溫度境溫度、混凝土表面溫度、箱內溫度以及溫度測點溫度。根據(jù)氣象數(shù)據(jù)顯示2014—11—12日天氣晴好，故選擇在這一天進行試驗，測試時間為早上8點至下午5點，測試時采用連續(xù)觀測方法，每隔20 min采集一次數(shù)據(jù)。從8點到下午14點模擬室外環(huán)境溫度升高的情況，從14點到17點模擬室外環(huán)境溫度降低的情況。溫度傳感器測點布置、實驗圖片如圖2所示。

圖2 溫度測點布置圖

2 溫度觀測結果及分析

2.1 頂板

圖3為箱梁頂板中部溫度、室內環(huán)境溫度及箱內溫度隨時間變化的曲線圖，可以看出從早上8點10分開始，室內環(huán)境溫度從15.6°開始上升，至14∶10分升到最高40°，下17∶10分降至22°。而箱內溫度變化平穩(wěn)，平均值為20°。

圖3 頂板中部實測溫度—時間曲線圖

圖4 頂板腹板處、懸挑處實測溫度—時間曲線圖

頂板中部，接近頂板上緣的1點與混凝土表面溫度走勢幾乎相同，在14∶10分分別達到最大值51.8度和52.8度。2點、3點與1點的溫差分別為4.4度和7.7度。

圖4為頂板腹板處溫度、懸挑處。

溫度隨時間變化的曲線圖，腹板處接近上緣的14點下午14∶30分升到最大值45.6度，與腹板中部測點13及腹板下緣測點12的溫差分別為3.2度及7.8度。

懸挑處的測點20在下午14點10分達到最大值42.8度，與測點19、18的溫差為2.6度及5.1度。

2.2 腹板

隨著腹板高度的增加，腹板各測點的溫度梯度逐漸增大，且當環(huán)境溫度下降時，腹板部位除了位于板肋交接部位的12點，其余測點的溫度依然在升高，下降趨勢并不明顯。

測點7、8、9位于箱梁高度方向270 mm的水平方向，接近腹板中間位置，相對于箱梁頂板的溫差，腹板箱內、箱外測點實測溫差很小，不超過2度。

2.3 底板

箱梁底板的中部的3個測點及底板腹板處的測點4的溫度變化曲線幾乎重合，且變化曲線平穩(wěn)，平均溫度為18.2度。

2.4 箱梁實測溫度場分析

(1)由于箱梁頂板所受的光照輻射最強，箱梁頂板受溫度影響最為敏感，不僅沿頂板高度存在較大的豎向溫差，頂板中部、頂板腹板處和頂板懸挑部位也存在橫向溫差，上緣最大橫向溫差達到9℃。

(2)腹板由于受到翼緣板的遮擋，受到的光照輻射比頂板少，所以腹板內壁與外表面的溫差很小。但腹板沿高度方向的溫度差異明顯。

(3)由于箱梁底板受到的光照輻射幾乎為零，底板氣溫變化幅度很小，相對于箱梁頂板，底板的溫度變化平穩(wěn)。

3 模型驗證

本文采用ANSYS12.0對混凝土溫度場進行模型驗證，由于本文不考慮鋼筋對箱梁溫度場的影響，所以選取六面體單元SOLID70創(chuàng)建實體單元并采用四邊形單元進行映射網(wǎng)格劃分。密度、導熱系數(shù)和比熱取2 500 kg/m3、2.5 W/m.K及1 920 kJ/(kg·℃)。

采用“綜合氣溫”的方法將輻射、對流、傳導統(tǒng)一用對流來代替施加，將綜合大氣溫度、綜合對流系數(shù)施加于箱梁有限元模型的各個邊界。由于頂板受到的光照輻射最強，所以頂板的綜合氣溫取為37.5+22.5×sin(15×(t－5)－60)，綜合對流系數(shù)取為21，腹板的光照輻射小，腹板的綜合氣溫取為20+5×sin(15×(t－5)－25)，綜合系數(shù)取12，而底板及箱內受到的光照輻射幾乎為零，所以底板的綜合氣溫取為17.5+2.5×sin(15×(t－5)－20)，綜合系數(shù)取8，箱內的綜合氣溫和綜合系數(shù)為20℃、3.5。

經(jīng)過有限元求解，可以得到箱梁每一時刻的溫度場。可以看出頂板與腹板交界處的溫度場最為復雜。

通過將計算有限元計算所得數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比如圖5，可知:兩者不僅規(guī)律上相似，且誤差在1度內，說明基于實測氣象數(shù)據(jù)建立的有限元模型可以準確模擬箱梁實際溫度場。

4 溫度梯度形式擬合

通過前面的分析比較可知，箱梁兩側腹板中部及底板中間的溫度值很穩(wěn)定;而在頂板中間部位，溫度沿梁高方向變化幅度大。所以主要分析箱梁橫截面頂板的豎向溫度梯度。由于頂板溫度一般出現(xiàn)梯度變化最大在14∶00左右，所以14∶00的頂板溫差是最具研究意義。假設箱梁頂板溫差的函數(shù)為

式中:T0為箱梁頂板截面沿梁高方向的最大溫差，℃;Ty為計算點的溫差值，℃;y為計算點到箱梁頂板外表面的距離，m;b為系數(shù)。最大溫差值和系數(shù)決定了整個箱梁斷面的溫度差異分布形式，為此通過最小二乘法將上表數(shù)據(jù)進行擬合，得到T0=29，b=7.13，對其取整就可得到T=29e－7y。

圖5 計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比圖

表1

將本文所得的溫度梯度與各國相關規(guī)范中的溫度梯度分別進行比較，并將用相對誤差的形式表現(xiàn)出來(見表1)。可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)比新西蘭、澳大利亞的規(guī)范的計算值小，比英國規(guī)范的計算值大，與我國鐵路橋涵設計規(guī)范的計算值最接近。

5 結束語

(1)由于混凝土箱梁各部位所受的光照輻射各不相同，所以箱梁各板件的溫度場也各不相同，其中頂板對溫度變化敏感，腹板和底板溫度變化穩(wěn)定，同時箱梁不僅在沿豎直方向存在明顯的溫差，而且箱梁頂板與箱梁翼緣板之間上緣跟下緣均存在橫向溫差，最大可達9℃。而溫度梯度對橋梁結構應力狀況影響顯著，因此建議，實際工程中應重視溫度對箱梁應力、應變的影響。

(2)根據(jù)回歸分析，混凝土箱梁頂板的最大豎向溫差分布形式基本可以用T=29e－7y的形式來表示，這一溫度梯度模式可以適用于氣候條件與本地相近的地區(qū)。將溫度梯度模式與各國相關規(guī)范中的溫度梯度進行比較，發(fā)現(xiàn)計算的溫度梯度與英國規(guī)范計算值的相對誤差最大，與我國鐵路橋涵設計規(guī)范計算模式的溫度梯度值最接近。

［1］ 范立礎.橋梁工程［M］.人民交通出版社，2001.

［2］ 凱爾別克.太陽輻射對橋梁結構的影響［M］.劉興法等譯.北京:中國鐵道出版社，1981.

［3］ 彭友松.混凝土橋梁結構日照溫度溫度效應理論與應用研究［D］.西南交通大學博士學位論文，2007.

［4］ 葉見曙.賈琳.混凝土箱梁溫度分布觀測與研究［J］.東大學學報，2009.

［5］ 劉興法.預應力混凝土箱梁溫度應力計算方法［J］.土木工程學報，1986.

U442

C

1008－3383(2015)10－0084－02

2015－03－13

丁笑笑(1991－)，女，碩士，研究方向:土木工程。