斜拉橋鋼混橋塔溫度效應分析

楊吉新　程旭東　劉前瑞　劉　杰

(武漢理工大學交通學院1)　武漢　430063)　(中國市政工程中南設計研究總院有限公司2)　杭州　310009) (中國交通建設股份有限公司3)　北京　10088)

斜拉橋鋼混橋塔溫度效應分析

楊吉新1)程旭東1)劉前瑞1，2)劉杰1，3)

(武漢理工大學交通學院1)武漢430063)(中國市政工程中南設計研究總院有限公司2)杭州310009) (中國交通建設股份有限公司3)北京10088)

摘要：結合一斜拉橋鋼混橋塔的施工，應用有限元方法，分析橋塔在初始溫度一定，外界氣溫驟然降溫時，整個橋塔內鋼板和混凝土的溫度場分布情況，以及在溫度作用下橋塔內產生的溫度應力與變形.計算表明，在外界溫度突然降溫的情況下，橋塔的橋軸方向會形成較大的溫度梯度；橋塔的順橋方向，在鋼混結合段處的鋼板外表面及其被混凝土包圍的內腹板中會出現較大壓應力；橋塔的豎向方向，橋塔上段鋼箱段和混凝土段的外表面會出現拉應力，承壓板頂面會形成最不利的拉應力，而在鋼混結合段處，外表面會出現壓應力.

關鍵詞：橋塔；鋼混結合；溫度場；溫度效應；數值分析

0引言

斜拉橋鋼混橋塔主要由鋼板和混凝土組成，由于鋼板與混凝土為2種不同材料，其與空氣的綜合傳熱系數[1-3]、導熱系數、彈性模量，以及線膨脹系數等材料性質均不同，當橋塔外部大氣溫度發生變化時，在橋塔內部會形成不同的溫度場，產生較大的溫度應力和變形.這種鋼混橋塔的溫度場及溫度效應的研究尚不多，本文結合廣東肇慶市閱江大橋的施工，對橋塔施工時的溫度效應進行探討.

1工程概況

1.1鋼塔構造

該橋為雙塔雙平行索面斜拉橋，橋塔總高度83.8 m，采用鋼-混組合結構，其中鋼塔段長度56.18 m，混凝土塔段長度27.62 m；每個橋塔兩側各有24對斜拉索，斜拉索通過鋼錨箱錨固于橋塔內部；每個橋塔縱橋向分別由2個塔肢和位于塔肢之間的12根橫梁焊接而成，橋塔見圖1.

單個塔肢縱橋向呈圓曲線布置，塔肢斷面為單箱單室結構，縱橋向寬3.6 m，橫橋向寬4.0 m，由外壁板、2道內腹板和縱向加勁肋組成，鋼塔截面見圖2.

橫梁斷面為矩形結構，高1.4 m、寬1.2 m，由水平板、豎板和豎板縱向加勁肋組成，見圖3.

圖1 橋塔整體圖(單位:cm)圖2 鋼塔截面圖(單位:cm)圖3 橫系梁截面圖(單位:cm)

1.2鋼塔段與混凝土塔段連接

鋼塔段的豎向壓力主要通過鋼-混結合面處的承壓板傳遞到混凝土塔段中，而鋼-混結合面處的縱、橫橋向彎矩(施工及運營狀態)則需要通過預應力鋼束傳遞到混凝土塔段中.鋼混結合段處鋼板是外包混凝土，同時混凝土內有2道內腹板，見圖4.

圖4　鋼混結合段圖(單位：cm)

2有限元數值分析

2.1計算的基本假定

1) 不考慮綜合換熱系數在橋塔各表面的差異.

2) 不考慮橋塔內普通鋼筋和預應力鋼束對溫度場分布和溫度效應的影響.

3) 假定鋼板和混凝土的物理參數屬性不隨溫度變化.

2.2材料參數

橋塔的材料是由C60混凝土和Q345qD鋼板組成，它們的物理性參數包括彈性模量、導熱系數和比熱容等，本文取的參數值見表1[4-6].

表1　材料物理參數

2.3ANSYS建模

本文只對全橋施工階段的鋼混橋塔進行溫度效應分析，建立橋面以上的橋塔三維模型，由于斜拉橋為梁塔墩固結體系，主梁0號塊的剛度很大，以橋塔根部截面所有節點的邊界條件當作固結處理.至于對成橋后的斜拉橋，由于斜拉索都錨固在橋塔上，索力以及索對塔的約束都對橋塔的受力產生非常大的影響，需另文進行分析.

ANSYS建模，對于三維有限元模型溫度場的熱分析，先從CAD中導入ANSYS的橋塔幾何模型，采用SOLID70單元，該單元具有8個節點，每節點只有一個溫度自由度，是六面體單元，輸入材料的參數.然后通過多次網格劃分進行比較，在滿足精度的條件下，得到該橋塔有限元模型由1 690 395個單元和408 503個節點組成.整體橋塔單元劃分后的有限元模型見圖5.X為主梁順橋方向，Y為主梁橫橋方向，Z為橋塔橋軸方向.

圖5　橋塔有限元模型

本文鋼混橋塔的溫度場模型屬于瞬態熱分析.在進行溫度場的熱分析求解以前，要給出橋塔的初始溫度條件.在ANSYS熱分析中有兩種方式可以定義結構的初始溫度，如果結構的初始溫度場是未知的，則必須先用穩態熱分析來確定初始邊界條件；如果結構的初始溫度場是已知的，可以通過用命令D來設置初始均勻溫度或通過IC來設定節點初始溫度.本文模型采用IC命令，定義橋塔內混凝土和鋼板所有節點的初始溫度為25 ℃.

進行完熱分析后，要進行單元類型的轉換，ANSYS程序自動將其轉為SOLID185單元進行結構應力計算，得出橋塔僅在溫度作用下的結構應力.

3驟然降溫時橋塔的溫度場分布及溫度效應

3.1溫度場分析

對于鋼混結合的橋塔，假設橋塔內部初始溫度與大氣溫度一致為25 ℃，當外界驟然降溫時，外界大氣溫度場突降10 ℃即變為15 ℃，此時橋塔與外界大氣溫度場進行熱交換.得到1，5，10 h后橋塔內部的溫度場分別見圖6～11.

圖6　3 600 s橋塔整體的溫度場

圖7　3 600 s混凝土內的溫度場

圖8　18 000 s橋塔整體的溫度場

圖9　18 000 s混凝土內的溫度場

圖10　36 000 s橋塔整體的溫度場

圖11　36 000 s混凝土內的溫度場

從計算結果可知，由于鋼板與空氣的綜合換熱系數和自身的導熱性好，且鋼板截面薄，

隨著時間的推移，上段鋼箱段內的節點溫度最先達到外界溫度，而混凝土的導熱性差，在短時間內混凝土內的節點溫度很難變化，橋塔在橋塔軸向方向會形成較大的溫度梯度，在鋼混結合段處會形成一個很大的橫向溫度梯度，從而會在橋塔內產生較大的溫度次應力.此時承壓板連接鋼混段，在承壓板的外表面會出現最不利的拉應力.

圖12鋼塔外表面節點溫度隨時間變化曲線圖中，TEMP_9為中段鋼混結合段處鋼板的外表面節點6 114的溫度隨時間變化曲線，TEMP_10為上段鋼箱段處鋼板的外表面節點16 650的溫度隨時間變化曲線.

圖12　鋼塔外表面節點溫度隨時間變化曲線圖

計算結果表明，當外界溫度突然降溫時，鋼混結合段處的鋼板與混凝土接觸，而混凝土導熱性能差，導致鋼混結合段處鋼板的外表面溫度下降比上段鋼箱段處鋼板的外表面溫度慢.降溫開始時，橋塔內部溫度與外界氣溫的溫度梯度大，所以橋塔各節點降溫速率快，后來逐漸趨于平穩，直至與外界氣溫平衡.

3.2溫度應力與變形分析

從計算結果可知：

1) 圖13表示在外界氣溫降溫時，1 h后橋塔x方向的應力.由圖13可見，橋塔表面先降溫，在順橋x方向，橋塔的最大壓應力出現在橋塔的最底端，大約為18.3 MPa，而最大的拉應力會出現在橋塔鋼箱段上頂端，大約為9.7 MPa.圖14為鋼混結合段某一截面x方向的應力，橋塔鋼箱段的鋼板外表面會出現較小的壓應力，但在鋼混結合段處的鋼板外表面及其被混凝土包圍的2道內腹板中會出現較大壓應力，在7～13 MPa之間，其原因是由于鋼混結合段內鋼板的導熱性能好、降溫快，但混凝土內的溫度改變不大，鋼板與混凝土2種材料的彈性模量、線膨脹系數等不同，從而在溫度作用下鋼板內會形成較大的壓應力，相應的在與鋼板接觸的混凝土中會出現較大的拉應力.

圖13　3 600 s時x方向的應力

圖14　3 600 s時鋼混結合段x方向的應力

2) 圖15為在外界氣溫降溫時，1 h后橋塔豎向z方向的應力.橋塔的最大壓應力出現在橋塔的最底端，大約為34.5 MPa，而最大的拉應力會出現在上段鋼箱段與中間的鋼混結合段交界的承壓板頂面上，約為9.1 MPa.由圖15可見，橋塔上段鋼箱段和下段混凝土段的外表面會出現較小的拉應力，但在鋼混結合段處，橋塔外表面出現壓應力.承壓板頂面的應力分布見圖16.

圖15　3 600 s時z方向的應力

圖16　3 600 s時承壓板頂面z方向的應力

3) 在圖17、圖18中，當外界溫度降溫的情況下，1 h后橋塔在x方向會往外伸，最大值為0.2 cm，同時在z方向會往上升，最大值為2.2 cm.所以溫度對于橋塔位移的影響主要是在橋塔的縱軸方向，應予以控制.

圖17　3 600 s時x方向的位移

圖18　3 600 s時z方向的位移

4結論

1) 在外界氣溫驟然降溫的情況下，對于橋塔內溫度場，上段鋼箱段內的節點溫度最先達到外界溫度.由于混凝土的導熱性差，在短時間內混凝土內的節點溫度變化慢，那么橋塔在橋軸豎向會形成較大的溫度梯度，同時在鋼混結合段處會形成一個很大的橫向溫度梯度.

2) 對于在溫度作用下橋塔內產生的溫度應力，橋塔的順橋x方向，在鋼混結合段處的鋼板外表面及其被混凝土包圍的2道內腹板中會出現較大壓應力，相應的與鋼板接觸的混凝土中會出現較大的拉應力.橋塔的豎向z方向，橋塔上段鋼箱段和混凝土段的外表面會出現拉應力，在承壓板頂面會形成最不利的拉應力，但在鋼混結合段處，橋塔外表面會出現壓應力.

3) 在外界溫度改變的情況下，溫度對于橋塔位移的影響主要是在橋塔的縱軸方向，應予以控制.

參 考 文 獻

[1]葛耀君，翟東，張國泉.混凝土斜拉橋溫度場的試驗研究[J].中國公路學報,1996,9(2)：55-58.

[2]段飛.大跨度鋼橋日照溫度場和溫度效應研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[3]鄭富文.預應力鋼筋混凝土箱梁公路橋日照溫度場和溫度應力研究[D].成都：西南交通大學,1988.

[4]金增洪.混凝土橋梁的溫度差設計[J].中外公路,1993(5):12-20.

[5]劉照球.混凝土結構表而對流換熱研究[D].上海:同濟大學,2006.

[6]郝超，丁潤賢，柳世強.鋼橋溫度場分布的數值模擬[J].世界橋梁,2002(3):55-59.

Study on Temperature Effect of the Steel-concrete Pylon of Cable-stayed Bridge

YANG Jixin1)CHENG Xudong1)LIU Qianrui1.2)LIU Jie1.3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(CentralandSouthernChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.Ltd.,Hangzhou310009,China)2)(ChinaCommunicationsConstructionCompanyLimited,Beijing10088,China)3)

Abstract：Combined with the construction of steel-concrete pylon of some cable-stayed bridges, the bridge tower is analyzed with finite element method under certain initial temperature. The temperature field distribution in the steel and concrete of the pylon, the temperature stress and the resulting deformation of the pylon are studied in the case where there is a sudden drop of the outside temperature. The result shows that a relatively large temperature gradient in the vertical direction of the pylon emerges when the outside temperature suddenly decrease. Besides, in steel-concrete composite segment along the span of pylon, there appears relatively large compressive stresses both on the external surface of the steel and in the endosternum which is surrounded by concrete. In the vertical direction of the pylon, tensile stresses in the steel box of the upper segment and external surface of the concrete segment are found to exist. In addition, it is found that the most unfavorable tensile stress appears in the top of bearing plate. However, in the steel-concrete composite segment, there appears compressive stress on the outside surface.

Key words：the pylon of cable-stayed bridge; steel-concrete joint; temperature field; temperature effect; numerical analysis

收稿日期：2016-04-28

中圖法分類號：TU34

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.002

楊吉新(1964- ):男，教授，博士生導師,主要研究領域為橋梁工程與力學