鋼筋混凝土空心薄壁橋墩溫度場及溫度效應計算軟件研發

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以及陡坡深谷地貌環境中得到廣泛的應用。基礎頂面至墩頂的距離超過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。混凝土空心薄壁墩受不均勻日照溫度的影響較大,由于混凝土結構的熱傳導性能差,周圍環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,但橋墩內部的溫度往往仍處于原來的狀態或變化不大,從而在混凝土結構中形成了較大的溫度梯度。由此產生的溫度變形,當被結構的內、外約束阻礙時,會產生相當大的溫度應力。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,當墩內外的氣溫差只有2-3℃時,橋墩內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,將產生更大的溫度應力。因此在設計、施工和養護過程中,對空心薄壁高墩結構的溫度場及溫度效應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等問題的分析多采用商業有限元軟件。商業有限元軟件功能強大,計算精度較高,但操作復雜,需要較高的橋梁專業基礎及有限元知識,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,不需要建立復雜的有限元模型,只需輸入基本參數就能得到較為準確的計算結果。

2 總體設計

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、橋梁所在地經度與緯度、計算日期、當地地理氣象環境、橋梁結構參數等輸入軟件窗口界面,軟件系統根據輸入的基本參數進行內部建模計算,最后以圖片、文本等格式輸出計算結果。

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邊界條件的合理簡化,推導出解析方法,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,結果形式簡單,為坐標和對應的溫度分布。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,采用有限元方法計算溫度場及溫度應力分布,可以通過網格劃分的尺寸控制計算精度。計算時可以根據不同的需求進行選擇。

2.2 軟件結構

軟件結構見圖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,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 軟件結構圖

3.2 簡化計算

簡化計算主要界面橋梁模型參數及基本信息輸入見圖2。

圖2 簡化計算界面橋梁模型參數及基本信息輸入

(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、風速、大氣透明系數、地面環境短波反射系數等。

其中日期為擬計算溫度效應的日期；所在地緯度指的是北緯度數；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,日輻射總量根據大氣透明度系數計算得知；如果輸入數據不為零則根據輸入的日輻射總量計算大氣透明度系數)；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；地面環境短波反射系數,一般取0.2,積雪地面取0.7。

(2)輸入模型參數

在左下角模型參數輸入欄輸入模型基本信息。主要有材料導熱系數、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、模型表面輻射率、厚度方向單元劃分數、計算時間間隔數、傅里葉級數項數等。其中,厚度方向單元劃分數為模型建立時,單元網格的劃分數量；計算時間間隔數為溫度場結果的時間間隔數(如輸入25,計算結果從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)；傅里葉級數項數為計算過程中傅里葉變換時采用級數長度,一般選取4即可滿足計算精度要求。

(3)數據存儲

在右下角數據存儲欄選擇數據存儲位置,點擊生成數據文件,即可將以上輸入數據以文本形式保存,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據(即第三步保存的數據),并輸入輸出結果文件名,點擊計算,即可得到溫度場結果。溫度場數據以文本形式保存,保存的位置即為導入的橋梁數據存儲的位置。數據第一列為時間,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(圖4)。主要有地面環境短波反射系數、大氣及地表環境輻射率、最高氣溫、最低氣溫、風速、計算日期等。各參數的選取同簡化計算中參數選取。

圖4 橋梁天文地理條件輸入

3.3.3 模型建立

(1)截面數據讀入

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,截面名稱即為數據保存的文件名,各截面參數依據左側圖示輸入；對于已經有上部結構的橋墩,上部結構的遮陰效果對橋梁溫度場有一定影響,上部結構數據欄考慮了上部結構造成的影響。根據上部結構各輸入尺寸的圖示,依據圖示輸入上部結構各參數。在數據存儲欄,選擇截面數據存儲的位置,生成截面數據。

圖5 截面建立界面

點擊完成按鈕,返回模型建立窗口。

在截面參數窗口選擇待計算的截面,點擊適用按鈕,即可成功導入截面。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)材料數據輸入

如有以往建立的材料數據時,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、材料導熱系數、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,選擇數據存儲位置,點擊生成材料數據按鈕,即可生成材料數據。

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。

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,在結果存儲位置欄選擇溫度場結果存儲的位置,點擊溫度場分析按鈕,軟件將依據選擇的截面及材料建立平面模型,分析截面溫度場,分析過程較為復雜,耗時一般在15至20分鐘之間,軟件將在結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果數據。由于過程中產生的數據量較大,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,點擊結果查看按鈕,進入結果查看界面。

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果數據。由于過程中產生的數據量較大,建議計算前硬盤要有足夠的剩余空間(4G以上)。

結果查看

在溫度場數據讀入欄選擇要查看的溫度場數據(即第三步中保存的溫度場結果數據),右側文件欄顯示的后綴為“.temp”文件即為溫度計算結果文件,文件名后四位數字表示溫度場結果對應的時間,如tlr0430表示4點30分時截面各點的溫度場計算結果。選擇要查看的溫度場結果,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格劃分圖。

3.3.5 溫度應力分析

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

4 結論

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,計算結果滿足工程實際要求。

圖8 結果查看界面——溫度場分析結果查看

圖 9 應力分析結果查看