陳 釩,廉虎山,趙國軍,王 超

(中電建路橋集團有限公司,北京 100048)

1 引言

混凝土空心薄壁高墩橋梁在地表高差懸殊的山嶺重丘區(qū)以及陡坡深谷地貌環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用?；A(chǔ)頂面至墩頂?shù)木嚯x超過50m的橋墩被稱為高墩,墩高60m以上多采用混凝土空心薄壁墩?；炷量招谋”诙帐懿痪鶆蛉照諟囟鹊挠绊戄^大,由于混凝土結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)性能差,周圍環(huán)境氣溫及太陽輻射等作用將使橋墩表面溫度迅速上升或下降,但橋墩內(nèi)部的溫度往往仍處于原來的狀態(tài)或變化不大,從而在混凝土結(jié)構(gòu)中形成了較大的溫度梯度。由此產(chǎn)生的溫度變形,當被結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外約束阻礙時,會產(chǎn)生相當大的溫度應(yīng)力。研究表明在空心橋墩中存在相當大的溫差,在壁厚為0.25m的矩形薄壁空心橋墩中,當墩內(nèi)外的氣溫差只有2-3℃時,橋墩內(nèi)外表面的溫差可以達到15℃以上[1,2]。在氣溫較高及太陽輻射強時溫差將更大,將產(chǎn)生更大的溫度應(yīng)力。因此在設(shè)計、施工和養(yǎng)護過程中,對空心薄壁高墩結(jié)構(gòu)的溫度場及溫度效應(yīng)進行分析是十分必要的。

目前,鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場及溫度效應(yīng)等問題的分析多采用商業(yè)有限元軟件。商業(yè)有限元軟件功能強大,計算精度較高,但操作復(fù)雜,需要較高的橋梁專業(yè)基礎(chǔ)及有限元知識,適用人群較小。本計算軟件編制的目的正是為了使更廣大的橋梁工作人員能夠較為簡便的分析鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場及溫度效應(yīng)等問題。利用本軟件只需掌握基本的橋梁知識,不需要建立復(fù)雜的有限元模型,只需輸入基本參數(shù)就能得到較為準確的計算結(jié)果。

2 總體設(shè)計

2.1 軟件概述

為方便工程人員對鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場及溫度效應(yīng)的計算分析,編制此軟件。工程人員將橋梁基本信息,包括橋梁名、橋梁所在地經(jīng)度與緯度、計算日期、當?shù)氐乩須庀蟓h(huán)境、橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)等輸入軟件窗口界面,軟件系統(tǒng)根據(jù)輸入的基本參數(shù)進行內(nèi)部建模計算,最后以圖片、文本等格式輸出計算結(jié)果。

該軟件能夠有效、快速、可靠、無誤的完成上述操作,且軟件界面簡單明了,易于操作。

軟件提供兩種不同精度的計算結(jié)果,一種為一維溫度場簡化模型[3],該模型通過對溫度場熱傳導(dǎo)邊界條件的合理簡化,推導(dǎo)出解析方法,使用ANSYS的APDL可編程語言編寫的計算程序,但并沒有用到ANSYS的任何有限元分析功能。該方法計算速度快,結(jié)果形式簡單,為坐標和對應(yīng)的溫度分布。另一種分析方法為二維平面有限元分析,該方法通過對ANSYS有限元軟件的二次開發(fā),采用有限元方法計算溫度場及溫度應(yīng)力分布,可以通過網(wǎng)格劃分的尺寸控制計算精度。計算時可以根據(jù)不同的需求進行選擇。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件結(jié)構(gòu)見圖1。

3 軟件主要功能

3.1 主界面——計算方法選擇

該軟件共提供兩種計算方法,第一種為精細化建模計算方法,需要輸入橋墩截面尺寸,按照平面問題計算橋墩截面的溫度場及應(yīng)力場；第二種為簡化計算方法,改方法用于計算混凝土橋墩沿壁厚方向的溫度場效應(yīng),為一維溫度場分析。通過點擊主界面右下角的控制按鈕即可選擇需要的計算方法,并計入計算界面。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 簡化計算

簡化計算主要界面橋梁模型參數(shù)及基本信息輸入見圖2。

圖2 簡化計算界面橋梁模型參數(shù)及基本信息輸入

(1)橋梁基本信息輸入

在截面右上端基本信息輸入欄輸入橋梁基本信息,主要有橋梁名稱、計算日期、所在地緯度、橋墩外法線方位角、日輻射總量、最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、大氣透明系數(shù)、地面環(huán)境短波反射系數(shù)等。

其中日期為擬計算溫度效應(yīng)的日期；所在地緯度指的是北緯度數(shù)；橋墩外法線方位角為要計算的橋墩表明外法線與正北方的夾角；日輻射總量單位為MJ/m2,可通過查氣象資料得知,如果未知,輸為零(輸入零時,日輻射總量根據(jù)大氣透明度系數(shù)計算得知；如果輸入數(shù)據(jù)不為零則根據(jù)輸入的日輻射總量計算大氣透明度系數(shù))；最高溫度、最低溫度為當日橋梁所處位置的最高氣溫與最低氣溫；地面環(huán)境短波反射系數(shù),一般取0.2,積雪地面取0.7。

(2)輸入模型參數(shù)

在左下角模型參數(shù)輸入欄輸入模型基本信息。主要有材料導(dǎo)熱系數(shù)、材料密度、材料比熱容、需要計算的橋墩的壁厚、模型表面太陽短波輻射吸收率、黑體輻射系數(shù)、模型表面輻射率、厚度方向單元劃分數(shù)、計算時間間隔數(shù)、傅里葉級數(shù)項數(shù)等。其中,厚度方向單元劃分數(shù)為模型建立時,單元網(wǎng)格的劃分數(shù)量；計算時間間隔數(shù)為溫度場結(jié)果的時間間隔數(shù)(如輸入25,計算結(jié)果從0值24小時每隔1小時輸出一次,共計25次；如輸入49,計算結(jié)果從0值24小時每隔0.5小時輸出一次,共計49次)；傅里葉級數(shù)項數(shù)為計算過程中傅里葉變換時采用級數(shù)長度,一般選取4即可滿足計算精度要求。

(3)數(shù)據(jù)存儲

在右下角數(shù)據(jù)存儲欄選擇數(shù)據(jù)存儲位置,點擊生成數(shù)據(jù)文件,即可將以上輸入數(shù)據(jù)以文本形式保存,文件名即為輸入的橋梁名稱。

(4)溫度場計算

點擊計算按鈕,彈出橋梁輸出選擇窗口,選擇要計算的橋梁數(shù)據(jù)(即第三步保存的數(shù)據(jù)),并輸入輸出結(jié)果文件名,點擊計算,即可得到溫度場結(jié)果。溫度場數(shù)據(jù)以文本形式保存,保存的位置即為導(dǎo)入的橋梁數(shù)據(jù)存儲的位置。數(shù)據(jù)第一列為時間,第二列及以后各列為沿厚度方向的溫度值。

3.3 精細化建模

3.3.1 橋梁基本信息輸入

在界面右上角輸入橋梁基本信息(圖3),包括橋梁名稱(建議使用英文或拼音),橋軸線方位角,所在地經(jīng)度、緯度等。其中橋軸線方位角為橋梁軸線走向與正北方的夾角,順時針為正。然后再右下角位置處選擇項目存儲位置,點擊模型建立按鈕進入建模界面。

圖3 橋梁基本信息輸入

3.3.2 輸入天文地理條件

在天文地理條件欄輸入橋梁所處位置的天文地理條件參數(shù)(圖4)。主要有地面環(huán)境短波反射系數(shù)、大氣及地表環(huán)境輻射率、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、計算日期等。各參數(shù)的選取同簡化計算中參數(shù)選取。

圖4 橋梁天文地理條件輸入

3.3.3 模型建立

(1)截面數(shù)據(jù)讀入

如有以往建立的截面時,可直接讀入,如沒有,新建截面信息。尺寸輸入欄輸入截面基本尺寸,截面名稱即為數(shù)據(jù)保存的文件名,各截面參數(shù)依據(jù)左側(cè)圖示輸入；對于已經(jīng)有上部結(jié)構(gòu)的橋墩,上部結(jié)構(gòu)的遮陰效果對橋梁溫度場有一定影響,上部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)欄考慮了上部結(jié)構(gòu)造成的影響。根據(jù)上部結(jié)構(gòu)各輸入尺寸的圖示,依據(jù)圖示輸入上部結(jié)構(gòu)各參數(shù)。在數(shù)據(jù)存儲欄,選擇截面數(shù)據(jù)存儲的位置,生成截面數(shù)據(jù)。

圖5 截面建立界面

點擊完成按鈕,返回模型建立窗口。

在截面參數(shù)窗口選擇待計算的截面,點擊適用按鈕,即可成功導(dǎo)入截面。點擊顯示截面特性按鈕即可查看所選截面特性[4-7]。

圖6 截面特性瀏覽

(2)材料數(shù)據(jù)輸入

如有以往建立的材料數(shù)據(jù)時,可直接讀人,如沒有時,新建材料。依次輸入材料名稱、材料密度、材料泊松比、材料彈性模量、材料線膨脹系數(shù)、材料導(dǎo)熱系數(shù)、材料比熱容、模型表面輻射率、模型表面太陽短波輻射吸收率等基材料參數(shù),選擇數(shù)據(jù)存儲位置,點擊生成材料數(shù)據(jù)按鈕,即可生成材料數(shù)據(jù)。

圖7 材料特性輸入及查看界面

點擊完成按鈕返回模型建立界面,在材料輸入欄選擇要計算得材料類型,點擊適用,材料選擇完畢。點擊顯示材料特性即可查看所選材料的物理參數(shù)。

3.3.4 溫度場分析

在截面輸入欄選擇要分析的截面,在材料輸入欄選擇截面材料,在結(jié)果存儲位置欄選擇溫度場結(jié)果存儲的位置,點擊溫度場分析按鈕,軟件將依據(jù)選擇的截面及材料建立平面模型,分析截面溫度場,分析過程較為復(fù)雜,耗時一般在15至20分鐘之間,軟件將在結(jié)果存儲路徑下建立以橋梁名稱命名的文件夾存儲溫度場分析結(jié)果數(shù)據(jù)。由于過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大,建議計算前硬盤要有足夠的剩余空間(4G以上)[8-10]。

計算完成后,點擊結(jié)果查看按鈕,進入結(jié)果查看界面。

在截面輸入欄選擇要分析的截面,在材料輸入欄選擇截面材料,點擊溫度場分析按鈕,軟件將依據(jù)選擇的截面及材料建立平面模型,分析截面溫度場,分析過程較為復(fù)雜,耗時一般在15至20分鐘之間,軟件將在項目存儲路徑下建立以橋梁名稱命名的文件夾存儲溫度場分析結(jié)果數(shù)據(jù)。由于過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較大,建議計算前硬盤要有足夠的剩余空間(4G以上)。

結(jié)果查看

在溫度場數(shù)據(jù)讀入欄選擇要查看的溫度場數(shù)據(jù)(即第三步中保存的溫度場結(jié)果數(shù)據(jù)),右側(cè)文件欄顯示的后綴為“.temp”文件即為溫度計算結(jié)果文件,文件名后四位數(shù)字表示溫度場結(jié)果對應(yīng)的時間,如tlr0430表示4點30分時截面各點的溫度場計算結(jié)果。選擇要查看的溫度場結(jié)果,點擊溫度場查看按鈕,即可得到該時間點的溫度場分布圖,如圖8所示。點擊顯示初始圖形按鈕顯示截面單元網(wǎng)格劃分圖。

3.3.5 溫度應(yīng)力分析

選擇要進行應(yīng)力計算的溫度數(shù)據(jù),輸入應(yīng)力計算基準溫度,即可對該溫度場下的截面應(yīng)力進行分析運算。在計算結(jié)果中可以查看X、y、Z方向應(yīng)力云圖(圖9)。溫度場結(jié)果與應(yīng)力場結(jié)果同時會以文本形式保存在結(jié)果文件夾中。

4 結(jié)論

采用本軟件進行大量的空心薄壁高橋墩溫度場及溫度效應(yīng)的計算。并通過實測值進行驗證,證明了該計算方法快捷方便,計算結(jié)果滿足工程實際要求。

圖8 結(jié)果查看界面——溫度場分析結(jié)果查看

圖 9 應(yīng)力分析結(jié)果查看