戴 斌, 陳常松, 曾有藝

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亞熱帶季風氣候區(qū)域箱梁溫度場及效應(yīng)分析

戴 斌, 陳常松, 曾有藝

(長沙理工大學土木與建筑學院, 長沙 410114)

介紹了獨峒大橋主梁溫度測點布置情況, 比較分析了亞熱帶季風氣候區(qū)域和溫帶季風氣候區(qū)域的箱梁溫度場分布的差異, 采用多項式函數(shù)擬合亞熱帶季風氣候區(qū)域的箱梁在典型天氣下的溫度場, 據(jù)此計算的軸向應(yīng)變和曲率作為溫度參數(shù)代入橋梁結(jié)構(gòu)電算程序(BDCMS)中, 驗證了理論計算值與實測值吻合情況良好, 有足夠的工程精度.

亞熱帶季風氣候區(qū)域; 剛構(gòu)橋; 溫度場; 軸向應(yīng)變; 曲率

引言

近年來, 混凝土箱梁橋在日照輻射下的溫度場備受關(guān)注, 我國幅員遼闊、地形復雜, 涵蓋了各種類型的氣候, 而混凝土箱梁的溫度場又與外界氣溫環(huán)境有著千絲萬縷的聯(lián)系, 同類型的橋梁結(jié)構(gòu)在不同氣候條件下溫度場分布不盡相同, 帶來的溫度內(nèi)力與變形自然大小各異, 因此某一地區(qū)的研究成果并不一定適用于其他地區(qū), 有必要對各個氣候區(qū)域的溫度場進行針對性分析. 本文依托工程獨峒大橋是位于亞熱帶季風氣候區(qū)域的一座連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋, 在基本同等天氣條件下, 選取其他地區(qū)的箱梁溫度場與之對比, 以此證明不同氣候區(qū)域箱梁溫度場分布存在明顯差異. 并且用多項式函數(shù)擬合日照輻射下亞熱帶季風氣候區(qū)域連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁溫度場.

1 測點布置

獨峒大橋所處位置為廣西柳州三江縣, 地處東經(jīng)108°53′～109°52′, 北緯25°22′～26°2′, 橋軸線總體走向方位角約317°. 橋梁分兩幅, 左幅橋?qū)?2.75m, 右幅橋?qū)?3.75m, 是一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋, 共三跨, 中垮97m, 箱梁斷面為單箱單室, 總計14個梁段, 對稱澆筑, 其中0～12號梁段為T構(gòu)梁段; 13號梁段為中、邊跨合龍梁段; 邊跨現(xiàn)澆段設(shè)計為14號梁段. 主梁高度最低2.5m, 最高5.8m, 中間按照1.8次拋物線平穩(wěn)變化, 變化范圍為T構(gòu)末端至主墩墩身外側(cè). 埋設(shè)截面選取左幅13#墩靠近三江側(cè)的9號塊中間位置, 此截面梁軸線處高2.9m, 頂板和翼板邊緣厚度均為25cm, 底板厚36cm, 腹板厚度為70cm, 具體布置如圖1所示.

2 實測溫度與其他氣候區(qū)域的對比

采集溫度數(shù)據(jù)的時間選取在2016年9月3日和5日, 此時正處于12號梁段待強階段. 從工程角度來講, 只需從復雜多樣的溫度數(shù)據(jù)中分析計算產(chǎn)生的最不利溫度效應(yīng). 9月5日天氣晴朗, 氣溫變化范圍為20℃~35℃, 9月3日多云天氣, 氣溫變化范圍為18℃~33℃, 因此, 本文選擇日照相對更強的9月5日所測數(shù)據(jù)進行整理分析.

(1) 頂板豎向溫度分布

圖2是頂板內(nèi)7: 00至19: 00的溫度變化圖, 從圖中可以看出在日照輻射下頂板內(nèi)溫度變化幅度大, 頂 板上緣波動幅度12.4℃, 最大溫度達到41.8℃, 為15: 00測得; 下緣波動幅度4.7℃, 最大溫度在17: 00測得, 相對上緣最大溫度出現(xiàn)時間有2小時左右的延遲. 上、下緣最大溫差8.1℃, 出現(xiàn)在15: 00左右.

文[5]和文[6]的背景工程均位于黑龍江省, 地處溫帶季風氣候區(qū)域. 在文[5]的2010年9月14日箱梁頂板豎向溫度分布中, 頂板上緣最大溫度34℃, 上、下緣最大溫差7.7℃. 而在文[6]的2011年7月22日箱梁頂板豎向溫度分布中, 頂板上緣最大溫度34℃, 上緣與下緣最大溫差不超過4℃.

根據(jù)比較, 在季節(jié)、天氣和氣溫幾乎相同的條件下, 可以得出: (1)亞熱帶季風氣候區(qū)域箱梁頂板頂面最大溫度遠大于溫帶季風氣候區(qū)域; (2)對于頂板上、下緣最大溫差, 本文為8.1℃, 略大于文[5]的7.7℃, 是文[6]的兩倍, 而且本文箱梁頂板厚度25cm小于文[5]的28cm. 不難推斷, 在同等厚度條件下亞熱帶季風氣候區(qū)域箱梁頂板上、下緣最大溫差必定大于溫帶季風氣候區(qū)域; (3)即使是位于同一氣候區(qū)域, 文[5]和文[6]在頂板溫度分布上也存在明顯差別, 例如頂板頂面溫度在一天中的波動幅度, 前者是后者的兩倍以上.

(2) 腹板豎向溫度分布

根據(jù)實測數(shù)據(jù)的分析, 內(nèi)、外側(cè)腹板溫度場分布差別很小, 選擇外側(cè)腹板進行進一步比較說明. 圖3顯示, 腹板豎向溫度為非線性分布, 最上緣測點33最大溫度為41.7℃, 出現(xiàn)在15: 00左右, 全天波動幅度12.4℃, 腹板最下緣測點41最高溫度33.4℃, 波動幅度5.1℃. 腹板上部由表及里30cm范圍以內(nèi)溫度變化較劇烈, 這個范圍內(nèi)最大溫差即溫度傳感器33號和37號差值出現(xiàn)在15: 00, 大小為11.4℃, 而頂板最上緣測點33和位于腹板中間位置的38號溫差達到13℃; 38號測點溫度穩(wěn)定, 全天最大差值1.1℃, 可以作為計算溫度梯度的基準溫度; 腹板下部由于日光反射以及與周圍的空氣熱交換也存在一定的溫度差, 最大溫度差為3.6℃, 出現(xiàn)在17: 00左右.

由文[5]和文[6]中腹板豎向溫度非線性分布的特點可知, 上緣最大溫度均在36℃至38℃之間; 在上部1m高度范圍的最大溫差均在11℃左右, 與本文箱梁腹板30cm范圍的最大溫差相當, 而與上表面和中心點溫差13℃存在一定差距; 文[5]中腹板下部1m范圍的最大溫差為1.1℃, 文[6]中腹板下部40cm范圍內(nèi)的最大溫差為2.9℃, 二者均小于本文箱梁腹板下部15cm范圍的最大溫差3.6℃.

通過比較兩個氣候區(qū)域的箱梁腹板溫度分布, 可以得到: (1)本文外側(cè)腹板最上緣測點最高溫度為41.7℃, 全天波動幅度12.4℃, 遠大于文[5]和[6]的頂面最高溫度36℃至38℃, 也大于文[5]的波動幅度9.7℃; (2)同樣的, 外側(cè)腹板最下緣測點最高溫度為33.4℃, 遠遠大于文[5]的最高溫度25.2℃, 全天波動幅度5.1℃, 也大于文[5]的3.4℃; (3)文[5]和文[6]中腹板上部1m范圍的最大溫差大約11℃, 也即是腹板上緣與腹板中心測點的最大溫差, 與本文腹板上部30cm范圍以內(nèi)的最大溫差11.4℃相當, 但與上緣和中心點溫差13℃存在一定差距; 腹板下緣最大溫差大于文[5], 與文[6]差別較小.

根據(jù)以上分析, 在天氣、氣溫以及季節(jié)幾乎一樣的條件下, 亞熱帶和溫帶季風氣候區(qū)域箱梁溫度分布情況差異較大, 即使是同一氣候區(qū)域的不同地區(qū)也會存在一定差異, 所以對于不同地區(qū)箱梁共用同一個溫度梯度顯然不盡合理.

3 溫度場擬合

經(jīng)大量實測研究表明, 用一個統(tǒng)一的函數(shù)不能恰當?shù)乇硎局髁赫麄€斷面的溫度梯度, 反之, 分部位采用不同函數(shù)擬合更為適宜. 在主梁橫截面面積不變的情況下簡化, 再分塊, 如圖4所示, 用多項式函數(shù)分別擬合每一個分塊的溫度梯度. 箱梁頂、底板高度不大, 用一個多項式函數(shù)擬合, 由于腹板具有一定高度, 日照輻射下, 內(nèi)部溫度梯度變化較大, 可以采用沿高度方向的分段多項式函數(shù)擬合, 多項式最高次數(shù)取3階, 具體形式如下.

其中a,b,c,d為多項式系數(shù), 通過實測數(shù)據(jù)擬合得到,y,y是根據(jù)溫度元件埋設(shè)位置以及分段擬合時的擬合范圍確定.

橫截面簡化之后, 腹板和底板與實際高度相比變化很小, 根據(jù)實測數(shù)據(jù)擬合溫度梯度; 頂板高度變化較大, 但只有上緣25cm以內(nèi)數(shù)據(jù), 根據(jù)前人的經(jīng)驗和研究結(jié)果, 在混凝土從外到內(nèi)40cm以內(nèi)溫度變化較大, 深度超過40cm日照影響微小, 所以在40cm位置溫差值取為零是合理的. 腹板正中心測點溫度穩(wěn)定, 取為基準溫度, 各部分整體坐標系下不同高度溫差見表1.

擬合得到各計算分區(qū)溫度梯度公式如下:

4 溫度效應(yīng)分析

對于桿系結(jié)構(gòu), 溫度引起的變形有軸向變形和彎曲變形, 已知橫截面溫度梯度分布, 在沒有外力的情況下, 因為自應(yīng)力是處于自相平衡狀態(tài)的, 按照截面上應(yīng)力合力的總和為零以及對截面中和軸力矩之和為零求出軸向應(yīng)變和曲率, 分別表示為

.

將各分區(qū)的軸向變形和彎曲變形分別累加, 則有:

將計算的軸向應(yīng)變和曲率以非節(jié)點荷載的形式代入橋梁結(jié)構(gòu)電算程序(BDCMS)中, 可以計算出當天溫度梯度下主梁理論變形以及內(nèi)力變化情況, 與實測值應(yīng)變差值比較見表2.

表2中的應(yīng)變數(shù)據(jù)以正、負分別表示拉、壓應(yīng)變. 測點a數(shù)據(jù)與其他數(shù)值相差懸殊, 剔除之后求出實測平均值. 上下緣理論值與實測值接近, 差值分別為8.25%和10.77%, 可見, 采用多項式的計算值與實測數(shù)值吻合良好. 換算成應(yīng)力值, 上、下緣理論值分別是1.44Mpa和?0.50Mpa, 實測值分別為1.32Mpa和?0.45Mpa, 最大應(yīng)力出現(xiàn)在上緣, 雖然滿足混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值, 但也不容忽視.

5 結(jié)論

本文比較分析了地處亞熱帶季風氣候區(qū)域的連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度場特點, 通過多項式擬合分析了溫度場效應(yīng), 得到如下結(jié)論:

(1) 通過選取溫帶季風氣候區(qū)域兩座橋的溫度場與本文依托工程溫度場的比較, 可以明顯看出不同地區(qū)溫度梯度分布差異明顯, 甚至同一氣候區(qū)域也存在一定差異, 因此不同地區(qū)應(yīng)當采用各自溫度場進行分析.

(2) 在進行箱梁溫度場擬合分析時, 分段多項式函數(shù)是一個可靠的選擇, 并且為計算主梁軸向應(yīng)變和彎曲變形提供了方便.

(3) 通過計算結(jié)果與實測值的比較, 內(nèi)力十分接近, 說明以上方法具有較高的計算精度, 能夠滿足實際應(yīng)用需要, 應(yīng)用簡單方便.

[1] 范立礎(chǔ). 橋梁工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2012:159~160

[2] 劉興法. 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁溫度應(yīng)力計算方法[J]. 土木工程學報, 1986, 19(1): 44~54

[3] 陳常松, 顏東煌, 程海潛, 等. 大跨度PC斜拉橋施工控制中溫度效應(yīng)分析[J]. 公路交通科技, 2002, 06: 84~87

[4] 顏東煌, 涂光亞, 陳常松, 等. 肋板式主梁溫度場的數(shù)值計算方法[J]. 中外公路, 2002, 22(2): 45~48

[5] 聶玉東. 寒區(qū)大跨徑混凝土箱梁橋溫度場及溫度效應(yīng)分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文, 2013

[6] 胡 丹. 季凍區(qū)大跨混凝土箱梁溫度場分布及溫度裂縫控制措施研究[D]. 北京: 北京建筑工程學院碩士學位論文, 2012

Analysis of Temperature Field and Effect of Box Girder in Subtropical Monsoon Climate Region

DAI Bin, CHEN Changsong, ZENG Youyi

(School of Civil and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

This paper introduces Dudong bridge temperature measuring point arrangement, compares the differences in the box girder temperature distribution between the subtropical monsoon climate region and temperate monsoon climate region, and adopts the polynomial function to fit the temperature field of box girder under the typical subtropical monsoon climate region. The calculated axial strain and curvature are employed as the temperature parameters to plug into the bridge structure calculation program (BDCMS), which validates that the theoretical values agree well with the measured values.

subtropical monsoon climate region, rigid frame bridge, temperature field, axial strain, curvature

U448.23+1

A

1672-5298(2017)01-0057-06

2016-12-28

戴 斌(1990? ), 男, 湖南邵東人, 長沙理工大學土木與建筑學院碩士研究生. 主要研究方向: 橋梁結(jié)構(gòu)分析與工程控制

陳常松(1972? ), 男, 湖南攸縣人, 長沙理工大學土木與建筑學院教授. 主要研究方向: 大跨度橋梁非線性分析及施工控制