朱麗杰

（河北保津高速公路有限公司，河北 保定071051）

不同風(fēng)速對雙肢薄壁墩溫度場的影響分析

朱麗杰

（河北保津高速公路有限公司，河北 保定071051）

為了研究風(fēng)速對雙肢薄壁墩溫度場的影響，選取洺水大橋105.09m的雙肢等截面矩形空心墩為研究對象，利用A N SY S有限元軟件分析了不同風(fēng)速值狀態(tài)下雙肢墩的溫度場。研究表明：風(fēng)速值越大，墩壁內(nèi)外表面的溫差越小，所產(chǎn)生的應(yīng)力也越小;風(fēng)速值越小，墩壁內(nèi)外表面的溫差越大，所產(chǎn)生的應(yīng)力也越大。因此，在設(shè)計上可以通過在墩壁上設(shè)置通風(fēng)孔的方法，使內(nèi)外壁板溫差降低，從而減小溫度應(yīng)力，使橋墩產(chǎn)生裂縫的可能性降低，從而減少橋墩病害。

橋梁工程;雙肢等截面矩形空心墩;風(fēng)速;溫度場;應(yīng)力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.025

1 工程概況

洺水大橋是連接邢臺～冀晉省界段上的一座“80m+3× 150m+80m”預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋墩最高墩高為105.09m，地面標(biāo)高一般為814.00～960.00m，由于橋墩很高,由大氣邊界層內(nèi)風(fēng)速廓線指數(shù)分布規(guī)律可以推知，高墩上部的風(fēng)速將會明顯增大，會導(dǎo)致作用在連續(xù)剛構(gòu)橋上的靜力、動力風(fēng)荷載都很大。本文選取2013年8月某天作為計算時間，當(dāng)天最高氣溫為34.5℃，最低氣溫為16.2℃，風(fēng)速為3m/s。橋墩采用的是雙肢等截面矩形薄壁空心墩，肢間凈距為5m，單肢截面尺寸為7.5m×3.5m，壁厚為0.7m。在順橋向壁板處，每個壁板布置4個溫度應(yīng)變計，進(jìn)行現(xiàn)場實測，如圖1所示。

圖1 雙肢薄壁空心墩溫度場分布實測方案圖

2 結(jié)構(gòu)分析模型的建立

有限單元法在流體動力學(xué)（CFD）中的應(yīng)用是20世紀(jì)80年代開始的。隨著計算技術(shù)的提高和數(shù)值分析方法的不斷改進(jìn)，采用計算CFD方法解決橋梁風(fēng)工程問題變得越來越具有工程適應(yīng)性。本文利用大型有限元軟件ANSYS對雙肢等截面矩形空心墩進(jìn)行溫度場分析，由于空心墩材料為混凝土，它的導(dǎo)熱性能低，且溫度在其中的分布應(yīng)按非線性考慮。根據(jù)大量的研究成果，在考慮溫度分布的非線性時，可忽略溫度沿墩身高度方向的變化，近似將矩形空心墩看做二維平面問題進(jìn)行分析。

本文利用ANSYS模擬日照溫度場時，首先用Table（載荷數(shù)組表）表示熱流密度（集太陽輻射、熱輻射及對流于一體），然后作為邊界條件施加到雙肢墩上。定義熱流密度數(shù)時[1]，Tablt表中的數(shù)值取決于雙肢墩表面的溫度隨時間的變化函數(shù)：

*DIM,fluxl,Table,ntime,ntemp,,Time,Temp

在不同時間下橋墩產(chǎn)生的表面溫度作為邊界條件，給定fluxl的數(shù)值。使用ANSYS命令中的SFE和SFL命令[2]，將邊界條件施加在雙肢墩表面。

采用ANSYS軟件進(jìn)行分析時，采用Beam189單元模擬橋墩，由于混凝土導(dǎo)熱性能差的特點，使得它傳熱速度很慢，因此，在網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格密度要大，網(wǎng)格的邊長可取0.1～0.2m。網(wǎng)格劃分及橋墩整體模型見圖2和圖3。

圖2 矩形空心墩網(wǎng)格劃分

圖3 矩形空心墩有限元模型

3 不同風(fēng)速下的雙肢墩溫度場分析結(jié)果

風(fēng)速對結(jié)構(gòu)表面的溫度變化有著較大的影響，結(jié)構(gòu)物表面溫度隨風(fēng)速的增大而減小。較大的風(fēng)速可以加快墩壁外側(cè)的空氣流動，使墩壁的溫度值降低。所以這里分別取1m/s和3m/s兩個風(fēng)速值，對比不同風(fēng)速值下橋墩溫度場的變化。

計算橋墩的溫差應(yīng)力，必須首先確定溫度場(包括溫度梯度模式和溫度取值大小)。實測資料分析表明，溫度沿橋墩高度方向的分布總是很接近的，工程上可以忽略溫度沿墩高方向的微小變化。由于高墩一般都是變截面，而且截面變化較大，所以選取沿墩高方向盡可能多的截面作平面熱分析，然后將這些截面的溫度場轉(zhuǎn)化為溫度荷載施加到空間結(jié)構(gòu)上，最大限度地考慮日照溫差對空心高墩的影響。本文僅考慮墩身處于懸臂狀態(tài)，這里只取距墩頂5m處的截面作為研究對象，計算分析其在下午17：00時刻不同風(fēng)速對溫差應(yīng)力和變形的影響，計算分析結(jié)果見表1。

表1 距墩頂5m處截面的日照溫差應(yīng)力計算值對比

通過計算分析可得出以下結(jié)論：

1)風(fēng)速為1m/s時，空心墩等效應(yīng)力最大值為6.46MPa，徑向應(yīng)力以外側(cè)壁板受壓而內(nèi)側(cè)壁板受拉為主，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在南側(cè)壁板外側(cè)一點為6.46MPa，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在東南側(cè)內(nèi)側(cè)壁板的角隅處一點為3.10MPa。風(fēng)速為3m/s時的應(yīng)力分布規(guī)律與1m/s時的應(yīng)力分布規(guī)律相同，只不過應(yīng)力值有所變化：最大等效應(yīng)力為6.27MPa；徑向壓應(yīng)力最大為6.27 MPa，拉應(yīng)力最大為3.21MPa。

2)在懸臂狀態(tài)下，兩種風(fēng)速情況下的墩身位移最大值均出現(xiàn)在墩頂，且由墩頂至墩根部，結(jié)構(gòu)的變形值逐漸減小為0。當(dāng)風(fēng)速為1m/s時，矩形空心墩的平動位移最大值為6.0745 cm，最大扭轉(zhuǎn)位移為3.892＇；當(dāng)風(fēng)速為3m/s時，矩形空心墩結(jié)構(gòu)的最大平動位移為5.6784cm，最大扭轉(zhuǎn)變形為3.623＇。

3)研究薄壁空心高墩溫度效應(yīng)的關(guān)鍵在于確定一個符合實際情況的溫度場，然后根據(jù)最不利溫度分布進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[3]。在研究無云、無風(fēng)狀態(tài)下日輻射對混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度的影響時，將風(fēng)速限定在-個較小數(shù)值，分析混凝土結(jié)構(gòu)物表面附近的溫度狀況是合適的。

4 結(jié)論

1)利用ANSYS有限元軟件二次開發(fā)成果分析計算雙肢薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的溫度場，具有準(zhǔn)確、方便、快捷的優(yōu)點，具有較高的實用價值。

2)風(fēng)速越大，外側(cè)壁板的溫度越低，相對于內(nèi)側(cè)壁板的溫差就越小，產(chǎn)生的溫差應(yīng)力也就越小。

3)風(fēng)速越大，矩形空心墩溫度效應(yīng)產(chǎn)生的平動位移越小，扭轉(zhuǎn)位移越小。

4)可以通過在墩壁上設(shè)置通風(fēng)孔，降低內(nèi)外側(cè)壁板的溫差，從而最大限度地減少橋墩裂縫以及墩身病害發(fā)生的可能性。(1):52-54.

【3】葉征偉,項貽強(qiáng).高墩連續(xù)剛構(gòu)橋雙懸臂狀態(tài)等效風(fēng)荷載的簡化計算[J].中國公路學(xué)報,2011(4):63-69.

【1】葛俊穎,丁嘯宇,張耀東.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋日照溫度效應(yīng)計算軟件的編制[J].公路,2010(3):82-86.

【2】葛俊穎.預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁日照溫差效應(yīng)分析[J].中國鐵路，2010

Double Limb Thin-walledPier Temperature Field Under Different WindSpeedImpact Analysis

ZHU Li-jie
(Hebei Baojin HighwayCo.Ltd.,Baoding 071051,China)

In order to study double limb thin-walled pier temperature field under differentwind speed, selectMing-shui bridge 105.09mdouble limb of the cross-section of rectangular hollow pier as the research object, using ANSYS finite element software analysis underdifferentwind speed value double limb temperature field of the pier.Research shows that: The greater thewind speed value, the pier on thesurfaceofthewallinsideandoutsidetemperaturedifferenceissmaller,thesmallerthestress;Thesmallerthewind speed value the pier on thesurfaceofthewallinsideandoutsidetemperaturedifferenceisbigger,thebiggerthestress。Therefore,inthedesigncanbesetbythepierwallventmethod, lower the temperature difference between inside and outside thewall, so as to reduce temperature stress, reduce the possibilityofcrackonthebridgepier,thusreducingpierdiseases.

bridgeengineering;double-walledwithconstantsectionrectangularhollowpiers;windspeed;temperaturefield;stress

U443.22

A

1007-9467（2016）09-0096-02

2016-05-31

朱麗杰（1973～），女，河北唐山人，高級工程師，從事高速公路道路與橋梁工程管理與研究，（電子信箱）543800337@qq. com。