大型橋墩的溫度場及溫度應力的有限元分析

舒開鷗

0 引言

橋墩是橋梁結構最主要的受力構件,是一種大型混凝土構件。置于自然環境中的大型橋墩,長期經受自然界氣溫的變化等劇烈作用。由于混凝土的熱傳導性能差,周圍環境氣溫等作用將使橋墩表面溫度迅速上升(降低),但橋墩內部溫度仍處于原來狀態,在橋墩中形成較大的溫度梯度,橋墩各部分處于不同的溫度狀態,根據熱脹冷縮的原理,將產生溫度變形。當橋墩的內、外約束阻礙這種變形時會產生相當大的溫度應力,溫度應力(尤其是拉應力)達到混凝土的強度極限時,橋墩就會開裂。

圖1是武漢長江大橋武昌岸十一號橋墩(陸上)。從圖1中可以看出,在橋墩的底部有三條裂紋,其中①號為主裂紋,一直延伸至地下,并且還在向上擴張,長度達3 m～4 m,裂紋寬達1.5 cm,從南北立面裂紋位置對比來看,可能為前后貫穿裂紋,另外,②號,③號裂紋也在不斷生長擴張之中。這類橋墩裂紋很大程度上是由年、月溫差產生的深層裂紋,一旦失穩將以很快的速度進行擴張,直接導致橋墩的整體性破壞。橋墩上部分布有因溫度應力所引起的不規則的龜裂紋,其分布并無規律,但大多分布于混凝土表層,且為豎直走向。這種裂紋很大程度上是寒潮侵襲等原因導致外表面溫度突然下降,外部的收縮強度和速度都明顯高于內部,從而在橋墩外部產生很大的拉應力所引起。

本文將采用有限元分析軟件ANSYS對大型橋墩的溫度場及溫度應力進行數值仿真,進而分析環境氣溫對橋墩溫度場及溫度應力的影響,探求在溫度突變情況下橋墩的開裂機理,總結類似的大型混凝土溫度場和溫度應力變化的一般規律,提出保護方案及建議。

1 用ANSYS對溫度場和溫度應力進行分析

1.1 幾何模型及網格生成

由于橋墩自身、邊界條件及荷載工況均具有對稱性,在實際計算中將橋墩的1/4作為計算模型。

用ANSYS模擬橋墩的溫度場時,采用Termel Solid8 Node70單元類型,網格劃分采用定義網格邊長為0.4 m的Sweep方法(見圖2)。

模擬溫度應力時,采用Coupled Plane13單元類型,網格劃分采用定義邊長為0.2 m的 Map網格(見圖3)。

1.2 計算參數的選取

1.2.1 墩體混凝土的材料參數

彈性模量:2.5e10 Pa,泊松比:0.167,密度:2 400 kg/m3,導熱系數:1.6 W/(m·℃),比熱容:1 k J/(kg·℃),熱膨系數:8e-6 ℃。

1.2.2 環境氣溫

環境氣溫見表1。

表1 環境氣溫

空氣的對流換熱系數 α=8 W/(m2·℃),寒潮時空氣的對流換熱系數α=30 W/(m2·℃)。

1.3 計算結果與分析

限于篇幅,只對 1月與 7月進行溫度場模擬(見圖4,圖5)。由于寒潮的影響,冬天氣溫往往會驟降,此時表層混凝土的溫度應力表現為拉應力,且應力值最大。故本次研究只模擬1月末溫度驟降10℃,并持續1 d后,溫度應力的分布情況(見圖6)。

由圖4,圖5可以看出,由于混凝土的導熱性能很差,故橋墩表層的溫度與環境氣溫接近,而內部溫度則對環境氣溫并不敏感。當溫度持續1 d降低10℃后,由于混凝土的導熱性能差,內外溫差相差很大,導致溫度應力的產生。

由圖6可以看出,橋墩表層混凝土受到的拉應力最大為2.68 MPa,足以使表層混凝土開裂,而內部混凝土則只受到最大為0.5 MPa的壓應力。

2 結論與建議

2.1 環境氣溫對混凝土溫度場的影響

由于混凝土導熱性能較差,在較短的時間內,表層溫度隨環境氣溫變化很快,而內部溫度幾乎不會發生變化,混凝土內部將產生很大的溫度梯度,在環境氣溫和空氣對流換熱系數發生突變時表現得尤為明顯。從本次模擬的情形來看,當環境溫度突降10℃,空氣對流換熱系數從8 W/(m2·℃)突增至30 W/(m2·℃),并持續1 d時,橋墩表層0.3 m～0.7 m厚度范圍內的溫度變化較為劇烈。

2.2 環境氣溫對混凝土溫度應力的影響

在環境氣溫突降、空氣對流換熱系數激增的情況下,混凝土表層將產生相當大的拉應力,由于混凝土的抗拉強度較小,因此這種天氣狀況很容易導致混凝土開裂,若這種開裂僅存在于混凝土表面,而且雜亂無章,其尺寸也較小,對結構的安全不會有大的影響,但是若這些裂紋(尤其是縱向裂縫)首尾相接,就會形成一些長度很長的裂紋,在交變的溫度應力作用下,這些長裂紋有可能繼續擴張并貫穿墩體,而將整個橋墩劈裂成若干柱形體,橋墩就有失穩破壞的危險。

2.3 建議

1)為了使保護層具有更好的隔熱效果,應在盡可能的情況下,加大保護層的厚度,并選用導熱系數小的材料。

2)為更有效的防止溫度應力對橋墩的破壞,可考慮設計時在水平面內埋置預應力鋼筋,或者外包碳纖維來進行加強。

3)建議在氣溫逐漸下降的后半年對橋墩進行相應的保護措施,如保溫等,以防止產生過大的拉應力。

[1]鄧 訓.材料力學[M].武漢:武漢大學出版社,2001.

[2]劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京:人民交通出版社,1991.

[3]王勖成.有限單元法基本原理和數值方法[M].北京:清華大學出版社,1997.

[4]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.