基于TAITHERM 的混凝土T 梁溫度場分析

黃峰 ，王瑩 ，蔡笑飛 ，張鍇 ，程追 ，劉新民 ，楊宏印

（1.武漢臨空經濟區建設投資開發集團有限公司，武漢 430000；2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，武漢430023；3.武漢工程大學土木工程與建筑學院，武漢 430074）

1 引言

對于混凝土橋梁結構來說，環境影響因素中最突出的是水和溫度【1】，溫度應力有時甚至比活載產生的應力還要大【2】。Elbadry【3】等通過研究公路T 梁橋發現，橋梁的溫度效應與材料參數、環境溫度、太陽輻射等因素有關。為解決這一問題，國內外學者進行了許多深入的研究。加紅艷【4】使用ANSYS 軟件，揭示了T 形梁火災溫度場的分布規律。然而，由于很難客觀考慮實際氣象條件，現有關于橋梁溫度場的計算仿真對于邊界條件的處理往往過于簡化。此外，現有對溫度場的研究大多集中在箱梁，混凝土T 梁的研究相對較少。我國跨越了多個氣候區，但溫度梯度模式一直沿用統一的JTG D60—2015《公路橋涵通用設計規范》【5】，是否適合全國各地區橋梁的溫度分布仍需要進一步研究。

因此，充分考慮太陽輻射、材料對輻射吸收率影響等邊界條件，建立基于TAITHERM 熱分析軟件的混凝土T 梁溫度場分析模型，通過與橋梁長期溫度監測數據對比，分析驗證計算模型的效率和準確性，進而分析預測既有T 梁橋運營期間溫度場時空分布情況，具有重要的工程應用價值。

2 橋梁溫度測點布置

以武漢市某混凝土T 梁橋為監測對象，該橋的方位角約為東偏南56°，近似于西北-東南走向。橋梁所屬地區屬于亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，氣溫較高。冬季寒冷干燥，最冷月氣溫在0℃以下。主梁跨徑20m，橫橋向寬度為17m。

考慮到經濟性和有效性，選擇受到陽光照射較多和溫度變化較為明顯的邊梁埋設溫度傳感器，共13 個，如圖1 所示。

圖1 T 梁溫度測點布置示意圖

3 溫度場計算模型建立和驗證

計 算 模 型 主 要 用 到 ANSYS、HYPERMESH 以 及TAITHERM 軟件，其中，ANSYS 的作用是建立殼單元模型；HYPERMESH 的作用是將ANSYS 中建立好的模型實行網格劃分，并且能夠解決TAITHERM 與ANSYS 的數據及格式兼容問題；溫度場的計算主要由TAITHERM 軟件來執行。

3.1 模型建立

TAITHERM 是一款跨平臺熱和紅外特征建模工具，可用于模擬組件系統復雜表面描述的熱穩態和瞬態分布，又可以引入天氣文件，模擬太陽輻射受地理位置、云層遮擋和散射等因素的影響。

確定橋梁材料為水泥混凝土的情況下，材料參數取值如表1 所示。

表1 TAITHERM 中參數設置

3.2 模型驗證

根據2018 年全年實測橋面溫度數據，選擇有代表性的月份計算溫度場模型，從而驗證軟件模擬的準確性。本文選取氣溫較為極端的2018 年7 月進行重點分析，結果如圖2 所示。

圖2 2018 年7 月橋面計算與實測數據對比

由圖2 可見，橋面溫度計算值和實測值變化趨勢基本一致，且都是成正弦的趨勢變化，兩者差值均在3.1℃之內；橋面最高溫度在夏季，高達60℃。結果表明，基于TAITHERM 建立的三維溫度場模型可以較為準確地計算混凝土T 梁橋的溫度場分布。

4 最不利溫度梯度計算

4.1 最不利溫差的選取

當豎向最高溫度與T 梁梁高方向上的溫度差值達到最大值時，此時可將豎向的溫度分布當作最不利溫度梯度。由圖3可見，最大實測溫差也是呈現正弦波式的變化，剛好符合實際橋梁情況的季節周期性和日溫差周期性，并且日溫差最大值發生的時間為2018 年7 月23 日14:00，此時頂板與腹板的溫差最大。以此為基礎，得到某立交溫度數據中最大溫差為18.0℃，最小溫差為-1.4℃。通過計算7 月的溫度場模型，得到最大日溫差也是7 月23 日14:00，其周期性和實測數據具有良好的一致性。

4.2 計算梯度與規范、實測梯度的對比

該橋瀝青鋪裝層厚度為80mm，根據線性內插法可得到規范值T1=16.4℃，T2=5.98℃，同樣用雙折線模式計算實際溫度梯度T1=18.0℃，T2=6.4℃，模型計算得到的結果T1=17.1℃，T2=6.6℃。由梁體實測溫度梯度分布可見，溫度的變化主要發生在距離頂板0.3m 的范圍內。由圖4 可見，在夏季T 梁實際的最大豎向溫度梯度數值超過了規范值，說明應以橋址處的實際溫度梯度進行分析設計；通過TAITHERM 軟件計算的結果比規范值更加接近實測數據。

圖3 7 月頂板與腹板溫差及逐時溫度最大值

圖4 規范、實測及模型計算雙折線溫度梯度

5 結語

1）利用當地氣象資料，驗證了大型有限元軟件ANSYS 和TAITHERM 建立的溫度場分析模型具有較高的精度和效率；

2）通過數據擬合和統計分析得到混凝土T 梁橋的極端有效溫度和最不利溫度梯度，對比分析發現，為得到不同地區橋梁溫度場的精細分布，需根據當地的實際氣候變化特點來調整。

3）分析與總結了武漢地區混凝土T 梁溫度場的變化規律，可為武漢市內同類型T 梁溫度場分析與預測提供參考。