雙肢薄壁高墩溫度效應研究?

湯剛，楊龍，楊美良

（1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004；2.湖南省交通科學研究院，湖南長沙 410001）

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雙肢薄壁高墩溫度效應研究?

湯剛1，楊龍2，楊美良1

（1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南長沙 410004；2.湖南省交通科學研究院，湖南長沙 410001）

摘要：以廣西資興（資源梅溪—興安）高速公路楊家灣大橋為例，研究山區砼高墩橋梁的溫度場，明確日照溫差對砼薄壁高墩的影響；基于MIDAS FEA有限元軟件建立楊家灣主橋整體分析模型和橋墩分析模型，研究在不同日照溫度工況下墩身中應力的分布規律和橋墩的變形情況。結果顯示，墩身中環向應力、豎向應力都較大，最大拉應力可達1.86 MPa左右，最大壓應力可達6.78 MPa左右；橋墩墩頂的平動變形最大值為23 mm，扭轉變形最大值為1.528′。

關鍵詞：橋梁；雙肢薄壁高墩；溫度場；溫度效應；溫度應力

近些年，中國橋梁事業取得顯著發展，朝著大跨徑、薄壁、輕型結構的方向發展，特別是建立在險峻山谷的橋梁，為了符合線路的走向，適應橋址區地形地貌的特點，多采用薄壁高墩結構。在砼高墩結構中，雙肢薄壁高墩有其獨特的優點，它允許橋梁結構有較大的縱向變位，和單肢墩相比，雙肢墩本身具有更大的整體剛度，而且支點彎矩峰值更小，因而可減小墩頂截面尺寸。憑借以上優點，雙肢薄壁墩多應用于山區橋梁建造中。

由于自身長期所處的復雜環境，橋梁結構不斷受到日照輻射、大氣氣溫變化等影響，且自身具有較差的熱傳導性能，當結構受到陽光照射時，結構外表面與內部之間形成較大溫差，由該溫差產生的變形受到各種阻礙時將產生極大的溫度應力。大量研究表明，薄壁高墩結構中，日照溫差效應產生的應力非常大，甚至會使砼結構開裂，影響正常使用。該文以廣西資興（資源梅溪—興安）高速公路楊家灣大橋為例，對砼高墩的溫度效應進行研究分析。

1　日照溫度場實測分析

1.1工程概況

楊家灣大橋是廣西省資興高速公路上的一座高墩大跨連續剛構梁，跨徑為（50+90+50）m（見圖1）。主梁及雙薄壁墩墩梁固結處5 m過渡段采用C55砼，薄壁墩及薄壁墩系梁采用C40砼。墩高最大為75 m，A肢與B肢間設置三道橫系梁，橋梁軸線方位角為東偏北42°。在距墩頂5 m和墩底5 m處設置2個溫度測試斷面Ⅰ、Ⅱ，各布置54個溫度測點，內部測點距外表面的距離分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.9 m，B肢布置與A肢相同（見圖2）。

圖1　楊家灣大橋主橋示意圖（單位：m）

圖2　截面尺寸及溫度測點布置（單位：cm）

1.2雙肢薄壁墩日照溫度場現場測試

在夏季，在氣溫較高、太陽輻射強烈、風速小時測試橋墩截面Ⅰ和Ⅱ沿墩身外壁板的溫度分布，測試時間為24 h。測試日的天氣情況為：最低氣溫19℃，最高氣溫35℃，風速2.3 m/s。實測數據見圖3。

圖3　橋墩各側壁板溫度沿壁厚方向的分布

1.3雙肢薄壁墩沿壁厚方向溫度分布

根據相關研究成果，在日照作用下，墩高方向溫差很小。橋墩受到日照作用，墩身截面受陽面與內部之間存在一定溫差，溫度梯度沿壁厚方向的分布可表示為：

式中：Toy為溫差，日照取正值；a為指數系數；y為坐標（m）。

運用最小二乘法原理對實測溫度數據進行整理分析，將式（1）兩邊取自然對數，得ln Ty=ln Toyay。令ln Ty=T、ln Toy=B，得T=B-ay。對各壁板最大溫差取自然對數，擬合各側壁板的溫度梯度模式，結果見表1。

表1　對各壁板最大溫差時刻沿壁厚方向的溫差取自然對數

將表1數據進行整理，擬合東北側和西南側的溫度函數，東北側14：00時為Ty=15e-8.54y；西南側16：00時為Tx=19e-10.42x。

有限元分析中，將雙肢薄壁高墩的B肢作為研究對象，根據楊家灣大橋所處地理位置和氣候條件及對大量實測數據的分析，將下午16：00時的溫度場取以下3種溫度工況（見圖4～5）：溫度工況一為橋墩受順橋向日照，墩身外表面與內部溫差為19℃；溫度工況二為橋墩受橫橋向日照，墩身外表面與內部溫差為19℃；溫度工況三為橋墩受斜橋向日照（與橫橋向接近呈45°照射），墩身外表面與內部溫差為14℃。

圖4　太陽輻射示意圖（單位：m）

圖5　溫度工況示意圖（單位：℃）

2　有限元分析

根據文獻［8］～［12］，在溫度荷載作用下，大型超靜定結構一般采用有限元法求得其數值解。為了求得溫度應力分布情況，這里借助有限元軟件MIDAS FEA建立該橋實體模型，分析橋墩日照溫度場，分別考慮在不同溫度工況下日照溫差作用所引起的結構響應。

首先按圖紙實際尺寸建立全橋和橋墩分析模型，采用映射方式將實體有限元模型劃分為六面體網格，對局部分析網格作精細劃分，單元長度設置為30 cm，并賦予對應的材料特性（見表2）；然后給模型添加約束，約束方式為承臺底部采用固結。圖6為全橋分析模型，圖7為橋墩分析模型。

表2　不同材料熱力學性能參數

圖6　全橋分析模型

圖7　橋墩分析模型

運用MIDAS FEA程序分析橋墩溫度場，是通過將對流系數、環境溫度及各側溫度函數賦給邊界點的節點以添加溫度荷載。由于外界環境溫度隨時間變化而不斷變化，需定義一個熱分析施工階段，在FEA程序中添加多個時間步驟，并且設置每個時間步長為2 h，1 d分為12個時間步驟，定義兩個熱分析工況，先進行熱傳導分析，分析在各溫度工況下橋墩的溫度分布情況，然后進行熱應力分析，得出應力分布情況。

3　計算結果分析

3.1日照溫度作用下墩身溫度

圖8　溫度工況一作用下墩身截面Ⅰ處溫度云圖（單位：℃）

圖9　溫度工況二作用下墩身截面Ⅰ處溫度云圖（單位：℃）

由于受到陽光直接照射，橋墩墩身向陽側會在早上6：00后開始升溫，橋墩內部溫度基本不變，內外部的溫差越來越大；隨著時間的推移，橋墩墩身外表面的溫度將在某一時刻達到峰值，此時內外部溫差達到最大。圖8和圖9分別為在溫度工況一、溫度工況二作用下雙肢薄壁墩B肢墩身截面Ⅰ處溫度云圖。

由圖8和圖9可看出：溫度工況一和溫度工況二作用下，橋墩墩身外表面與內部之間溫差達到19℃，且溫度沿壁厚方向的分布與實測數據非常吻合，實測數據與模擬數據最大相差不超過1℃。說明運用MIDAS FEA模擬日照溫度場可行，能滿足工程計算的精度要求。

3.2日照溫度作用下墩身溫度應力

圖10～13為在溫度工況一、溫度工況二作用下橋墩截面Ⅰ處環向、豎向溫度應力云圖。

圖10　溫度工況一作用下墩身截面Ⅰ處環向應力云圖（單位：MPa）

圖11　溫度工況一作用下墩身截面Ⅰ處豎向應力云圖（單位：MPa）

對溫度應力云圖進行整理，提取橋墩截面Ⅰ處分別在溫度工況一、溫度工況二作用下的應力分布，匯總截面Ⅰ處A-A和B-B截面距外表面0.9 m范圍內應力分布（見圖14～15）。

圖12　溫度工況二作用下墩身截面Ⅰ處環向應力云圖（單位：MPa）

圖13　溫度工況二作用下墩身截面Ⅰ處豎向應力云圖（單位：MPa）

圖14　溫度工況一下橋墩向陽側正應力沿壁厚的分布

由圖14～15可看出：橋墩向陽側外表面均受壓。溫度工況一作用下，在截面Ⅰ的向陽側外表面處，環向、豎向正應力出現最大壓應力；距外表面0.3 m段應力梯度較大，距外表面0.3 m處出現最大拉應力，距外表面0.3～1.5 m段全部受拉；距向陽側外表面1.5 m到背陽側外表面全部受壓，應力有所增加。溫度工況二作用下，在截面Ⅰ的向陽側外表面處，環向、豎向正應力出現最大壓應力；距外表面0.3 m段應力梯度較大，距外表面0.3 m處出現最大拉應力，距外表面0.3～8.7 m段全部受拉；距向陽側外表面8.7 m到背陽側外表面全部受壓，應力有所增加（見表3）。

圖15　溫度工況二下橋墩向陽側正應力沿壁厚的分布

表3　日照溫差引起的墩頂、截面Ⅰ和墩底處最大應力及位置

由表3可知：環向應力在截面Ⅰ處距向陽側外表面0.3 m處出現最大拉應力，為1.86 MPa；在墩底截面向陽側外表面出現最大壓應力，為-6.78 MPa。豎向應力在截面Ⅰ處距向陽側外表面0.3 m處出現最大拉應力，為1.81 MPa；在墩底截面向陽側外表面出現最大壓應力，為-6.54 MPa。

3.3日照溫度對橋墩變形的影響

日照溫差作用下，橋墩墩身受陽面外壁板與內部之間存在較大溫差，產生溫度變形導致墩頂偏移，從而影響橋墩垂直度。計算結果表明：日照溫差引起的雙肢薄壁高墩結構的溫差應力和變形都較大，且溫差越大，變形越大，對施工控制不利。斜向日照時，由于有兩面同時受到日照作用，橋墩還會產生一定的扭轉變形。圖16～18分別為各溫度工況作用下橋墩的整體變形云圖，表4為墩頂位移。

圖16　溫度工況一作用下橋墩順橋向位移Dx（單位：mm）

圖17　溫度工況二作用下橋墩橫橋向位移Dy（單位：mm）

從表4可看出：溫度工況一，橋墩受到順橋向日照溫度作用時，由于B肢直接接受陽光照射，A肢被B肢完全擋住，B肢墩頂位移達到23 mm。溫度工況二，橋墩受到橫橋向日照溫度作用時，A肢和B肢墩頂產生的橫橋向位移相等。溫度工況三，橋墩同時受到順橋向、橫橋向日照溫度作用時，A肢和B肢墩頂平動變形與僅受單向日照溫度作用時接近，且產生一定的扭轉變形，達到1.528′。溫度工況一中B肢墩頂順橋向位移達到23 mm，大于規范容許值H/1 000（H為墩高）=20 mm，不滿足規范要求，在施工中需采取必要措施。

圖18　溫度工況三作用下橋墩位移Dxyz（單位：mm）

表4　各溫度工況作用下墩頂位移

4　結論

（1）通過對實測溫度數據的分析，擬合出最大溫度梯度曲線，回歸分析得出橋址區雙肢薄壁高墩在壁板厚度方向上的溫度分布模式，橫橋向沿壁厚方向溫度函數為Ty=15e-8.54y，順橋向沿壁厚方向溫度函數為Tx=19e-10.42x。

（2）結合實測數據，運用有限元軟件MIDAS FEA對雙肢薄壁高墩溫度場進行數值分析，模擬值與擬合值、實測值相差很小，數據吻合較好，證明運用MIDAS FEA擬合日照溫度場和有限元分析雙肢薄壁高墩溫度場可行。

（3）建立實體有限元模型分析日照溫差引起的溫度效應，結果顯示日照溫差產生的應力較大，最大拉應力達1.86 MPa，這種溫差應力與其他荷載的組合完全可能使砼開裂。

（4）在日照溫差作用下，墩頂位移最大可達23 mm。對于薄壁高墩，日照溫差引起的溫度應力和變形不可忽視。

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從圖3可看出：在14：00和16：00時刻，橋墩各側壁板沿壁厚方向溫度梯度較大。14：00時東北側墩外壁與內部之間溫差達到最值15℃，16：00時西南側墩外壁與內部之間溫差達到最值19℃。因此，將16：00時的溫度場作為控制溫度，研究墩身在日照溫度作用下的應力與變形。日照對橋墩溫度沿墩身外表面分布影響深度大致為0.9 m，但在距外表面0.6～0.9 m時變化不太明顯，距外表面0～0.6 m時溫差較大。

中圖分類號：U443.22

文獻標志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0147-07

基金項目：?湖南交通科技創新項目（201452）

收稿日期：2016-01-19