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(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國橋梁建筑技術(shù)的不斷提高，現(xiàn)代橋梁朝著薄壁、大跨、輕型的方向發(fā)展。而橋墩作為橋梁的重要結(jié)構(gòu)，為了能更好地適應(yīng)現(xiàn)代橋梁特點(diǎn)的需要，改變了以往粗、大、實(shí)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)向輕型、薄壁、高強(qiáng)、注重造型的方向發(fā)展，其中薄壁空心高墩是一種較好的形式[1]。

此類橋墩裸露于大氣中，必然要長期受到太陽輻射和氣溫變化的影響。由于外界環(huán)境的瞬變性以及混凝土結(jié)構(gòu)本身的導(dǎo)熱性能差，使得空心墩結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面形成了比較大的溫差，當(dāng)由此溫差產(chǎn)生的溫度變形受到約束的時候，就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。這種由溫差作用引起的溫度變形和溫度應(yīng)力稱為溫差效應(yīng)。現(xiàn)有研究結(jié)果證明[2-3]，在薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)中，日照溫差效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力有時與恒載、活載產(chǎn)生的應(yīng)力屬于同一個數(shù)量級，甚至使橋墩結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，影響橋梁的正常運(yùn)行。因此為了預(yù)防工程事故的發(fā)生，很有必要對薄壁空心墩結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)進(jìn)行研究。

目前ANSYS有限元計算軟件已得到成熟發(fā)展，其計算結(jié)果具有較高的可信度和準(zhǔn)確性。因此以晉濟(jì)高速公路仙神河大橋150.07 m高的八邊形薄壁空心高墩為研究對象，利用ANSYS軟件強(qiáng)大的二次開發(fā)技術(shù)和熱分析功能，編制了薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)日照溫度場和溫差效應(yīng)分析的專用程序，并結(jié)合實(shí)例驗(yàn)證了二次開發(fā)成果的準(zhǔn)確性。同時利用二次開發(fā)成果，對八邊形薄壁空心高墩在日照溫差荷載作用下的溫差效應(yīng)進(jìn)行了仿真分析，并得出有益的結(jié)論。

1 ANSYS的二次開發(fā)

ANSYS具有強(qiáng)大的二次開發(fā)功能，用戶可利用ANSYS自身提供的APDL、UPFs、UIDL等二次開發(fā)工具，根據(jù)各具體專業(yè)的需求，在ANSYS系統(tǒng)中開發(fā)出具有中文界面的、特定功能的專用模塊[4]。本文通過利用二次開發(fā)工具UIDL語言來編制ANSYS界面的菜單部分和編寫對話框，利用APDL語言來編寫程序命令流，二者結(jié)合起來，在ANSYS軟件中開發(fā)出一個關(guān)于薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)從建模到熱分析再到溫度應(yīng)力計算的專用程序。

1.1 用UIDL語言編制用戶圖形界面

UIDL語言(User Interface Design Language)是ANSYS自身提供的用戶界面設(shè)計語言，主要用來編寫或更改ANSYS的圖形界面，它可以在ANSYS中添加自定義的菜單，制定對話框，還可以將用APDL語言編輯的專業(yè)有限元程序放進(jìn)ANSYS中，從而建立有專業(yè)針對性的有限元計算模塊，實(shí)現(xiàn)ANSYS的二次開發(fā)[5-7]。修改和編寫用戶界面是通過用UIDL語言修改以.GRN為擴(kuò)展名的控制文件來實(shí)現(xiàn)的。本文通過在控制文件UIMENU.GRN和UIFUNC2.GRN中添加編制的自定義菜單代碼及對話框代碼，實(shí)現(xiàn)了在ANSYS程序的Main Menu部分添加自定義菜單以及對話框的編制。對話框以熱分析參數(shù)定義為例，其界面如圖1所示。

1.2 用APDL語言編寫命令流

APDL是ANSYS Parametric Design Language的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言。它是類似FORTRAN的一種解釋性語言，只能在ANSYS環(huán)境中運(yùn)行，主要包括參數(shù)、矩陣操作、數(shù)組、流程控制、重復(fù)功能和縮寫功能、宏文件以及用戶子程序等程序設(shè)計語言以及1 000多條ANSYS命令。利用APDL語言編寫了關(guān)于薄壁空心高墩從建模到網(wǎng)格劃分，從熱分析到結(jié)構(gòu)分析的程序命令流，主要包括：

圖1 熱分析參數(shù)定義對話框

material.ans 熱參數(shù)定義程序命令流

piermodel.ans 導(dǎo)入空心墩模型的程序命令流

duntaiyang.ans 計算太陽輻射的程序命令流

dunduiliu.ans 對流計算程序命令流

dunchangbo.ans 長波輻射計算程序命令流

dunjisuan.ans 綜合計算熱流密度、劃分網(wǎng)格、熱學(xué)分析程序命令流

yuntu.ans 獲取截面溫度云圖程序命令流

dunjiemian.ans 獲取截面溫度數(shù)據(jù)命令流

Bridge.ans 導(dǎo)入截面數(shù)據(jù)程序命令流

Yinglijisuan.ans 溫度應(yīng)力計算程序命令流

houchuli.ans 結(jié)果后處理程序命令流

………………

1.3 二次開發(fā)成果

結(jié)合APDL語言和UIDL語言,按照上述方法進(jìn)行二次開發(fā)的成果為“薄壁空心高墩溫度應(yīng)力分析系統(tǒng)”，程序界面如圖2所示。

圖2 二次開發(fā)程序界面

利用本文開發(fā)的“薄壁空心高墩溫度應(yīng)力分析系統(tǒng)”，只需要輸入或改變必要的參數(shù)，便可以很方便、很直觀地實(shí)現(xiàn)在任意時間和地點(diǎn)、任意季節(jié)以及任意截面形狀等條件下的高墩結(jié)構(gòu)在日照溫差作用下的溫度效應(yīng)的計算。計算流程如圖3所示。

圖3 簡要流程圖

圖4 仙神河大橋橋墩示意(單位：m)

1.4 實(shí)例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證二次開發(fā)成果“薄壁空心高墩溫度應(yīng)力分析系統(tǒng)”的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，對一具有實(shí)測數(shù)據(jù)的薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)的溫度場及溫度效應(yīng)進(jìn)行了分析。表1和表2給出了距離墩頂15 m處截面向陽側(cè)壁板一點(diǎn)在不同時刻的計算值與實(shí)測值以及向陽側(cè)壁板沿壁厚方向分別距離外壁板0 m、0.20 m、0.40 m、0.60 m、0.80 m、1.00 m處共計6個點(diǎn)在13：00時刻的溫度計算值與實(shí)測值。

表1 向陽側(cè)一點(diǎn)不同時刻溫度數(shù)據(jù)計算值與實(shí)測值℃時間計算值實(shí)測值0:0014.82914.03:0014.62714.16:0015.22414.69:0024.39123.612:0030.93831.213:0031.24431.914:0030.66931.615:0029.36330.316:0028.02628.918:0026.09626.421:0023.24222.124:0020.13918.6

表2 向陽側(cè)壁板13:00沿壁厚方向溫度數(shù)據(jù)計算值與實(shí)測值℃距離外壁板的距離/m計算值實(shí)測值0.031.24431.90.219.51320.70.415.38716.60.614.65815.40.814.74014.71.015.60815.6

從表1可以看出空心墩向陽側(cè)壁板一點(diǎn)溫度計算值和實(shí)測值24 h變化規(guī)律比較吻合，某一時刻的溫度分布也大致相同，兩者最大誤差為1.539 ℃，符合計算規(guī)范要求，而且測點(diǎn)溫度走勢基本一致；由表2可以看出，沿著空心墩壁厚方向的計算溫度分布與實(shí)測溫度分布變化趨勢基本一致。這說明八邊形空心墩溫度分布的仿真計算是準(zhǔn)確的，本文的二次開發(fā)成果也是可信的。

2 基于ANSYS的薄壁空心高墩溫差效應(yīng)分析

2.1 橋梁概況

本文研究的仙神河大橋是一座較為典型的獨(dú)塔預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋，地處山西省和河南省交界處，橋墩高150.07 m，采用的是正八邊形薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)，為典型的薄壁空心高墩，橋墩布置如圖4所示。主墩截面八邊形內(nèi)切圓直徑為墩頂10.04 m，墩底16 m，自墩頂?shù)蕉盏捉孛娌捎弥本€斜率變化，墩壁厚度均為1.2 m。該橋所在的地域?qū)儆跁x城市山區(qū)河谷地區(qū)，晝夜溫差變化較大，而且由于地形地貌等條件的限制，沿墩身各部分接受太陽輻射的時間也不一樣，對于墩頂部分一天中接受太陽輻射時間要多一些，而墩底部分則受日輻射作用很少。因此溫差對空心墩的影響比較大。

2.2 薄壁空心高墩溫差效應(yīng)ANSYS計算結(jié)果分析

為了研究日照下薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)的溫差效應(yīng)，根據(jù)相關(guān)氣象資料提供的近幾年山西晉城地區(qū)的天氣情況，選擇了夏季中氣溫相對較高，太陽輻射強(qiáng)烈，風(fēng)速小的晴好天氣進(jìn)行分析。具體日期為2008年8月6日(晴)，最高氣溫33 ℃，最低氣溫16 ℃，風(fēng)速3 m/s。經(jīng)計算，西側(cè)壁板下午17:00時刻溫差最大，因此本文以下午17:00時刻的溫度分布作為控制荷載，對沿墩身高度方向的各個截面，進(jìn)行了的溫差效應(yīng)計算。限于篇幅，以距離墩頂2 m處截面為例，其在下午17:00時刻的應(yīng)力云圖和整體變形云圖如圖5和圖6所示。

圖5 距墩頂2 m處截面最不利時刻應(yīng)力云圖

圖6 薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)整體變形位移云圖

對上述溫差效應(yīng)計算結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)對圖5進(jìn)行分析可知，沿著八邊形空心墩截面周向方向沿墩壁外表面的應(yīng)力梯度較小，而徑向方向的應(yīng)力梯度較大，并且背陽面和向陽面沿著徑向的應(yīng)力分布規(guī)律一致，應(yīng)力大致呈對稱分布。

(2)由圖5(a)可知，截面的最大應(yīng)力值在角隅處出現(xiàn)，且墩頂截面的最大等效應(yīng)力值達(dá)到了5.32 MPa，最大拉應(yīng)力達(dá)到了1.3 MPa。

(3)由圖5(b)可以看出，空心墩截面沿著墩壁厚度由外表面向內(nèi)，在0 ～0.4 m段內(nèi)，墩壁主要受壓應(yīng)力，且應(yīng)力值較大，在0.4 m處，應(yīng)力由最大壓應(yīng)力變化到最大拉應(yīng)力，變化梯度較大；而0.4～1.2 m厚度范圍內(nèi)壁板全部受拉，應(yīng)力值相對較小，拉應(yīng)力分布區(qū)域達(dá)0.8 m，占整個壁厚的2/3，但應(yīng)力有所減小，變化也不大。

(4)由圖6可以看出，結(jié)構(gòu)的平動變形最大值和扭轉(zhuǎn)變形最大值均出現(xiàn)在墩頂，結(jié)構(gòu)整體平動變形最大值為1.253 4 cm，最大扭轉(zhuǎn)變形值約為0.578′，平動變形較大，扭轉(zhuǎn)變形很?。磺矣啥枕斨炼罩性俚蕉盏?，結(jié)構(gòu)的變形逐漸變小，靠近墩底部，結(jié)構(gòu)的變形值為0。

3 結(jié)論

(1)利用ANSYS二次開發(fā)成果對薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)的溫度場和溫差效應(yīng)進(jìn)行計算分析，快速方便，結(jié)果合理，可為空心墩結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

(2)薄壁空心高墩結(jié)構(gòu)無論是懸臂狀態(tài)還是墩頂受支撐約束狀態(tài)，在日照作用下都會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力，而且墩頂都會產(chǎn)生位移變形，尤其是懸臂狀態(tài)下，墩頂位移達(dá)到1.253 4 cm，必須引起足夠的重視。

(3)日照引起的空心墩溫度應(yīng)力最大值在截面角隅處出現(xiàn)，其值較大對薄壁空心墩結(jié)構(gòu)存在著安全隱患，在空心墩設(shè)計時應(yīng)采取合理的配筋設(shè)計等，有效避免溫度應(yīng)力對墩身結(jié)構(gòu)造成破壞。

參 考 文 獻(xiàn)

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