薄壁空心墩日照實測溫度場及仿真分析

2019-07-20 09:39:12王家棟彭建鋒

四川建筑 2019年6期

王家棟，梁凱，彭建鋒，黎平，瞿浩

(1.西南交通大學，四川成都610000； 2.中建三局第二建設工程有限責任公司，湖北武漢430000)

薄壁空心墩具有截面形式簡單，傳力明確，經濟合理的優(yōu)點，廣泛被運用在山區(qū)、丘陵及市政高架橋下部結構中，研究及使用發(fā)現(xiàn)其受溫度影響不容忽視。

橋墩長期暴露于自然環(huán)境中，在漫長的使用周期內受到太陽輻射、氣溫變化等環(huán)境因素作用，會導致橋墩產生不均勻溫度場，這類溫度場為瞬時變化并有非線性分布特征[1]，從而導致橋墩彎曲變形[2]。目前對日照溫差研究多集中于上部結構[3-4]，對于下部結構的研究較少，對橋墩的日照溫差亦無規(guī)范規(guī)定。

本文以石門特大橋為工程依托，基于傅利葉導熱定律[5]得出墩的傳熱邊界條件，并采用 ADINA 對空心墩截面溫度場進行數(shù)值模擬，計算結果與現(xiàn)場實測值進行比較，驗證有限元結果的正確性。

1 工程概況及測點布置

石門特大橋是一座高墩、寬幅多箱、長連續(xù)的鋼-混凝土組合箱梁橋，地處張家口市涿鹿縣中部，屬寒溫帶大陸性季風氣候，太陽輻射強度大，晝夜溫差大。選取其中第25#橋墩作為研究對象，25#橋墩高96.7 m，橋墩為塔型變截面矩形空心墩，單箱雙室。豎向共分為上中下三段，上部截面寬8 m(橫橋向)×厚2.6 m(縱橋向)，中部截面寬8m(橫橋向)×厚3.6 m(縱橋向)，下部截面寬8 m(橫橋向)×厚4.6 m(縱橋向)，各截面變化處設置一道橫隔。各標準段外壁厚0.6 m，內壁厚0.6 m。

本次試驗選取離底面7 m的位置布置測點，一共布置16個測點。具體布置見圖1。

圖1 測點布置

其中太陽光從早晨7時左右到中午12時左右照射到墩的東面與南面，從中午12時左右到下午5時左右照射到墩的西面與南面。

2 實測數(shù)據(jù)和分析

25#墩于2017年10月27號開始澆筑，為了剔除水化熱的影響，從11月11日開始記錄日照溫度數(shù)據(jù)，選取其中5 d的數(shù)據(jù)分析。期間天氣均為晴朗天氣，平均風速在3級左右。

從圖2來看，11月12日的最高溫度達到9.2 ℃。且溫度上升速度快，可見太陽輻射強度對空心墩溫度影響較大，從圖中數(shù)據(jù)及其規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：

(1)由于整體氣溫下降，所有實測點溫度曲線總體呈下降趨勢，但是受日照影響呈現(xiàn)顯著的隨日照波動。

(2)同一測點，單日內最大溫差4.2 ℃，發(fā)生在12#測點。

(3)同一壁厚，單日最大溫差3.5 ℃，發(fā)生在南面。

(a) 1#～4#測點

(b) 5#～8#測點

(d) 13#～16#測點圖2 11月11日～11月15日四面測點溫度變化

3 傳熱邊界條件分析

在對橋梁結構進行分析時發(fā)現(xiàn)橋梁結構與外界熱交換主要分為三種：太陽輻射、輻射換熱、對流換熱。文獻[6]利用半理論半經驗公式對傅利葉傳熱方程進行簡化，可近似計算輻射量。

3.1 太陽輻射

太陽輻射與結構所在的地理方位、地形條件、氣候狀態(tài)等有關，最后得到太陽輻射總量qs為：

qs=I0Pmcosφ

(1)

其中I0為太陽常數(shù)，其計算公式為：

(2)

式中：N為自1月1日起算的日序數(shù)。

式(1)中:P為復合大氣透明度系數(shù)，受空氣成分以及海拔高度等復雜因素影響，具有強烈的地區(qū)差別，需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計分析，提出經驗計算公式；m為光學質量，某時太陽光線路程與太陽高度角為90 °(即太陽位于正天頂)時光程路徑的比值,該值隨時間的變化而變化；φ為太陽入射角。

3.2 輻射換熱

實際物體的輻射能力見公式：

El=εC0(273+T)4

(3)

其中ε表示物體的發(fā)射率，一般來說ε隨溫度變化，對于混凝土表面，可近似取值為0.90。C0為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取值為5.67×10-8W/(m2·K4)。

通過輻射從外界通過混凝土表面進入內部的熱流密度qr為：

qr=hr(Ta-T)

(4)

Ta、T分別為空氣溫度和混凝土表面溫度;其中hr的計算公式如下：

hr=εC0(546+Ta+T)[(273+Ta)2+(273+T)2]

(5)

3.3 對流換熱

混凝土表面與外界大氣對流換熱規(guī)律遵循牛頓冷卻定律，對流換熱從外界通過混凝土表面流入結構內部的熱流密度qc公式為：

qc=hc(Ta-T)

(6)

式中:hc與表面形狀、風速、周圍空氣溫度等因素有關，當外界風速ν≤5.0 m/s時，可以采用Jurges-Nusselt公式進行計算：

(7)

3.4 總傳熱邊界

根據(jù)上述混凝土結構與外界熱交換的計算公式，可以建立相對完整的傳熱邊界。邊界熱交換主要包括太陽輻射qs、對流換熱qc以及輻射換熱qr三項之和。故完整的傳熱邊界條件為：

(8)

4 數(shù)值模擬分析

根據(jù)相關文獻[7]，墩沿高度方向的溫度變化不大，故可將墩的溫度場問題轉化成2維問題。主要考慮太陽輻射、對流換熱和輻射換熱的影響。在ADINA中太陽輻射可通過施加熱流密度荷載的方式來模擬；對流換熱是將邊界定義為對流邊界，然后定義換熱系數(shù)；輻射換熱是將邊界定義為輻射邊界，然后定義表面反射系數(shù)。

根據(jù)混凝土配合比和相關實驗數(shù)據(jù)規(guī)定混凝土相關系數(shù)：混凝土導熱系數(shù)2.4 w/(m·K)，太陽輻射吸收率AS=0.6，長波輻射發(fā)射率Al=0.88，密度2 400 kg/m3，比熱930 J/kg[8-12]。

為驗證軟件的正確性，取軟件計算結果與部分實測測點數(shù)據(jù)相比較，由于空心墩的南面為太陽直射面，溫差波動較大，故選取9#～12#測點，具體見圖3。

可見計算值與實測值吻合良好，數(shù)值差距不超過0.5 ℃。