青藏高原地區鋼管混凝土拱橋大溫差溫度效應

周大為,鄧年春,郭 曉,石 拓

(廣西大學 土木建筑工程學院,南寧 530004)

0 引 言

鋼管混凝土拱橋自20世紀90年代四川旺蒼東河大橋的建成后,因其優異的結構性能在國內得到迅速發展[1],對其溫度問題的研究也隨之展開。經過幾十年的研究已經取得一定的成果,但是針對青藏高原高海拔極端天氣頻發地區，結合實橋的研究卻很少。 根據1978—2004年實測資料統計,青藏高原地區多年平均氣溫9.2 ℃,月平均最高和最低氣溫分別為16.6和0.3 ℃,極端最高和最低氣溫分別為32.0和-16.6 ℃,變化幅度達48.6 ℃。晝夜溫度變化大、極端天氣頻發等復雜的環境特點,使得處于該地區的橋梁受溫度影響很大,不可忽視。外部溫度變化引起拱肋內部溫度場變化,當變形受到內外條件約束時將產生較大的附加溫度應力。

劉振宇等[2]對鋼管混凝土結構粘結性能進行了研究,并設計了對鋼管混凝土法向粘結強度的試驗,當混凝土與鋼管之間的拉應力大于法向粘結強度時,二者發生脫粘。李艷玲[3]采用溫度箱模擬了晝夜大溫差條件下鋼管混凝土截面的溫度分布及溫度效應,分析結果表明,溫差較大時,鋼管和混凝土應力應變較為顯著,且鋼管數值大于混凝土,可能導致二者脫粘問題的發生。祁強等[4]對西北地區大溫差條件下的鋼管混凝土構件脫粘問題進行研究, 結果表明, 在大氣溫度作用下截面溫度呈現非線性分布, 大氣溫度的降低可能導致鋼管和混凝土脫粘問題的發生。 靳忠強[5]對嚴寒環境下鋼管混凝土結構的粘結性能進行研究發現,隨著溫度的降低, 鋼管和混凝土之間的粘結強度呈線性降低。 文獻[6-7]對鋼管混凝土拱橋年溫差溫度效應進行了計算, 結果表明,降溫條件下鋼管混凝土拱腳處將產生較大的溫度內力,其中混凝土產生較大的溫度拉應力。

為研究此類環境下溫度對橋梁的影響,以川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋為研究對象,對該橋在實際大氣溫度日變化以及年溫差變化下溫度效應進行研究。

1 工程概況

川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋采用一跨過江方案：主跨為430 m的中承式鋼管混凝土拱橋,全橋主梁為一聯五跨的預應力混凝土連續梁,孔跨布置為(39.6+32)m連續梁+430 m中承式鋼管混凝土拱橋+(28+34.6)m連續梁,橋梁總長525.5 m。其拱肋截面采用四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結合的截面形式,上弦拱腳1.5節段和下弦拱腳3.5節段采用直徑1.8 m鋼管,其余拱肋節段采用直徑1.6 m鋼管。該橋位于西藏自治區山南地區加查縣桑加峽谷內。拱肋鋼管均采用Q420qENH,管內灌注C60無收縮混凝土,腹桿和橫撐以及上下平聯均采用Q345qDNH,吊桿采用抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線制成,主梁連續梁梁部采用C55預應力鋼筋混凝土,邊墩采用C40鋼筋混凝土。

2 有限元方法驗證

2.1 試驗簡介

為驗證有限元法計算對大管徑鋼管混凝土拱肋的適用性, 采用足尺寸鋼管混凝土構件進行溫度分布監測試驗。 鋼管采用與藏木雅魯藏布江大橋管徑相同的1.6 m管徑, 壁厚10 mm; 為避免軸向產生熱傳導, 管長達2.0 m, 且上下層設置保溫層;管內灌注C60無收縮混凝土。 用熱敏電阻型溫度傳感器沿徑向按等間距布置,截面沿豎向和橫向共布置13個溫度傳感器, 采用定位鋼筋骨架將其固定于包塑鋼絞線上。 溫度采集采用基康無線溫度采集系統， 溫度數據采集間隔設置為10 min/次， 溫度采集系統見圖1。 測試截面及測點布置見圖2。

2.2 有限元計算分析

采用大型有限元分析軟件ANSYS對截面溫度分布情況進行分析。 假設鋼管混凝土構件沿軸向不存在熱傳導, 將三維空間溫度分布問題轉化為二維平面問題進行分析。 采用平面熱分析PLANE55單元,并認為鋼管和混凝土之間熱流連續,劃分網格后的模型如圖3所示。 本文研究目標為大氣溫度循環作用下截面溫度分布情況, 故僅考慮對流換熱對截面溫度分布的影響。

對鋼管混凝土構件進行連續11 d無日照溫度分布計算以消除初始時刻截面非線性溫度分布的影響,并與實測值進行對比分析以驗證ANSYS對鋼管混凝土結構對流換熱計算的適用性。11 d大氣溫度時程變化見圖4。

大氣溫度的日變化過程具有一定的規律性, 在分析過程中可以將其擬合為關于時間的連續正弦函數,最高和最低氣溫采用11 d內的平均最高和平均最低氣溫進行計算。

圖1 大管徑鋼管混凝土拱橋模型溫度采集系統

圖2 鋼管混凝土構件截面溫度測點布置圖

圖3 有限元計算模型

圖4 大氣溫度實測值

式中:Tmax、Tmin為一天當中最高和最低氣溫,℃;t表示所處時刻;t0表示影響日大氣溫度最高和最低溫度發生的中間時刻,如t0=9,則最高氣溫出現在下午15時,最低氣溫出現在凌晨3時[8]。

表1為連續計算第10天不同時刻截面各測點溫度計算值和實測值對比, 因取截面對稱位置溫度數值相近， 故取1～4號測點進行驗證，測點選擇見圖3。可見,有限元計算值與實測值較為吻合,邊緣測點溫度計算值稍大于實測值,主要是由于采用正弦函數對大氣溫度進行擬合時部分時間點溫度計算值大于實測值,但數值相差不大。最外緣測點溫度變化與氣溫基本一致,本實驗驗證了有限元計算方法的可行性。

3 晝夜大溫差溫度效應分析

3.1 邊界條件

大氣溫度采用2.2節公式進行擬合, 考慮到實際橋址相較于北京時差約2 h, 此處t0=11。 圖5為拱橋冬季和夏季現場實測日氣溫變化和公式計算值的對比, 公式計算值溫度極值發生時刻較實測值有些許差異, 但大致可以反映橋址地區一天中大氣溫度的變化情況, 冬季晝夜溫差達到25 ℃, 遠大于夏季的12 ℃。

鋼管混凝土拱橋的氣溫日變化溫度分析屬于對流換熱問題。對流換熱系數h主要與風速、換熱表面的幾何因素[9]和橋梁的布置情況有關,其中起到控制作用的是風速。文獻[10]推導出了固體表面在空氣中的換熱系數, 考慮風速的作用,將風速作為參數

h=21.8+13.53v。

式中:v為風速, m/s;h為空氣換熱系數,kJ/(m2·h·℃)。

圖5 日氣溫變化曲線

表1 1～4號測點不同時刻溫度計算值和實測值對比

為了得到最不利的溫度效應, 風速應為零,但風速為零的此類極端條件發生頻率極低[11]。 橋址地區冬季和夏季的平均風速大致為1～3 m/s, 為了得到最不利狀況, 本文取風速為1 m/s進行分析[12]。

橋梁與周圍環境構成十分復雜的熱傳遞系統,全面考慮各種因素的影響很難實現也非必要,故在保證計算精度的前提下進行合理的簡化。在分析過程中假設:考慮到鋼管混凝土拱橋沿縱橋向為細長結構,沿軸向的溫度傳遞相較于橫向可以忽略,故將其簡化為二維平面模型進行分析[13]。

3.2 截面溫度分布分析

藏木雅魯藏布江特大橋上下弦管之間采用腹板連接,且上下游鋼管距離較大,故可簡化為取拱肋上游下弦截面以分析四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結合的截面形式,沿橋梁縱向共有3種截面形式見圖6。為了模擬實橋情況,分別對3種截面形式進行大氣溫度日變化作用下的瞬態分析。

鋼管混凝土截面直徑1.6和1.8 m, 鋼管壁厚36 mm。 采用二維平面熱分析單元PLANE55單元進行分析, 截面形式網格劃分以實腹式啞鈴形截面為例, 見圖7。 由冬季晝夜溫差遠大于夏季, 故本文以冬季日氣溫變化, 連續進行20 d瞬態溫度場分析。

圖6 拱助截面形式

圖7 拱助各截面網格劃分

不同截面冬季循環大氣溫度作用下發生極值溫差的第473小時即第10日下午16:00左右,溫度分布情況見圖8。

由圖8a可知,大氣溫度作用下截面最不利溫度發生時刻與大氣溫度峰值時刻基本一致,且邊緣測點溫度變化與大氣溫度相近,可認為截面溫差峰值發生與大氣溫度峰值同步,且截面溫度分布白天呈現內低外高、夜間呈現外低內高的狀態,故晝夜變化間存在降溫溫差極值和升溫溫差極值。此外，分析結果還表明氣溫升溫導致的截面升溫溫差峰值較為顯著。

啞鈴形截面由于平聯的存在,減緩了部分鋼管和外部大氣對流換熱, 且由于混凝土導熱性能較差,使得兩側鋼管混凝土截面低溫區域凸向平聯側(圖8b)。

圖8 冬季日氣溫變化各拱助截面溫度分布

實腹式啞鈴形截面(圖8c)平聯內灌注了混凝土, 混凝土導熱性能較差,得其截面溫度敏感性較低,故冬季日氣溫作用下截面最大梯度溫度達11.4 ℃發生在空腹式啞鈴形截面。由于混凝土和鋼管熱物理性能的差異,氣溫時刻變化,截面溫度場分布表現出高度的瞬時非線性特征。日氣溫作用下截面溫度分布主要有以下4種情況:①夜晚低氣溫時段呈現出溫度內高外低;②白天高氣溫時段表現出內低外高;③開始升溫時刻表現出內外高中間低;④開始降溫時刻表現出內外低中間高。

3.3 截面溫度效應分析

采用ANSYS熱-固耦合進行分析,用ETCHG命令將二維熱分析單元PLANE55轉化為二維結構分析單元PLANE182,設置材料相應力學屬性并設置求解選項,讀取各荷載步下溫度場分析結果進行溫度加載，進而求得不同溫度分布狀態下的截面應力?？崭故絾♀徯谓孛婀軆然炷猎跍夭顦O值時刻的徑向和環向溫度應力情況見圖9。

圖9 空腹式啞鈴形截面混凝土溫度應力

由計算結果可知,在截面梯度溫度作用下核心混凝土大面積產生較大的拉應力,最大拉應力達1.12 MPa，混凝土和鋼管接觸處產生最大拉應力為0.7 MPa。劉振宇等[2]通過設計彎拉法試驗對鋼與混凝土法向粘結強度進行試驗分析,認為鋼與混凝土的法向粘結極限強度約為0.86 MPa,在晝夜循環大溫差荷載作用下,粘結截面產生的拉應力達到法向極限粘結強度的80%,極易導致脫粘問題的發生?！痘炷两Y構設計規范》規定C60混凝土抗拉強度設計值為2.06 MPa。核心混凝土在循環溫度作用下產生的拉應力達到設計值的54.4%,循環溫度荷載作用下混凝土可能產生疲勞破壞,造成核心混凝土開裂,對結構受力產生不利影響。

空腹式啞鈴形截面溫差極值時刻和某降溫時刻在截面溫度荷載作用鋼管變形情況見圖10。其中外圍為鋼管的變形示意圖：升溫時鋼受熱膨脹,溫度降低時鋼管收縮,在升降溫的循環過程中可能產生鋼管的永久變形;由于鋼管和混凝土熱膨脹系數相近但導熱性能相差較大,在較大的晝夜溫差作用下鋼管和核心混凝土溫差較大使得鋼管和核心混凝土變形不均;在循環溫度荷載作用下，可能造成鋼管和混凝土脫粘問題的發生。

圖10 空腹式啞鈴形截面鋼管混凝土鋼管變形圖

4 較大年溫差橋梁溫度效應分析

采用通用有限元分析軟件Midas Civil結合實橋分析在年溫變幅達48.6 ℃情況下拱肋截面混凝土應力情況。

4.1 計算合龍溫度和有效溫度取值

鋼管混凝土拱橋的計算合龍溫度是環境溫度和管內混凝土水化熱共同作用的結果,主要影響因素是管徑和水化28 d后的平均氣溫[14], 采用《鋼管混凝土拱擠技術規范》推薦的計算合龍溫度公式

T=T28+5D+T0-4.25。

其中,T28為混凝土澆筑28 d內的平均氣溫,取月溫度平均值;T0是考慮水化熱的附加溫度值, 為3～5 ℃。

藏木雅魯藏布江特大橋管內混凝土計劃灌注時間為2019年4月,該月平均最高氣溫為18 ℃,平均最低為3 ℃,故取月平均溫度T28=10.5 ℃,最終計算得出合龍溫度約為18.25 ℃。

有效溫度用于計算結構在均勻溫度場作用下,結構相對于基準溫度的溫度變形與內力，分為最高有效溫度和最低有效溫度[15]。參考前人計算方法,分析橋址極端氣溫情況,極端最高日氣溫和極端最低日氣溫分別為32.0和-16.6 ℃,升溫溫差13.75 ℃,降溫溫差-34.85 ℃。綜上分析,計算方法,出于設計安全方面考慮,實際計算取整體升溫15 ℃,整體降溫35 ℃進行分析。

4.2 鋼管混凝土拱橋有效溫度效應分析

采用大型通用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋有限元模型(考慮拱座),如圖11所示。拱肋、腹桿、橫聯、主梁等均采用梁單元,吊桿采用只能拉壓的桁架單元。全橋模型共有3 212個節點和3 689個單元。拱肋建立采用拱內核心混凝土和鋼管共用節點的雙單元法。

結合橋梁所在地的實際環境情況,取3種分析工況如下: 工況1:恒載組合;工況2:恒載組合+整體升溫15 ℃;工況3:恒載組合+整體降溫35 ℃。各工況下拉薩岸拱腳截面混凝土應力情況見表2。

圖11 全橋模型

由計算結果可知,恒載作用下拱腳混凝土全截面受壓;工況2和工況3作用下，部分上弦桿混凝土截面出現拉應力,其中工況3作用下，4根上弦桿均產生較大的拉應力且最大拉應力達到2.8 MPa。C60混凝土抗拉強度標準值和設計值分別為2.85和2.04 MPa,在工況3降溫情況下極有可能造成混凝土開裂問題的發生。在實際工程中需對上弦桿產生的拉應力予以重視,盡量降低橋梁的計算合龍溫度以規避較大的降溫而產生的不利影響或采取一定的構造措施降低混凝土拉應力。

4 結 論

對青藏高原地區一座鋼管混凝土拱橋進行溫度場和溫度效應進行研究,得到以下結論:

(1)橋址地區冬季晝夜最大溫差達25 ℃, 在較大的晝夜溫差作用下核心混凝土及混凝土和鋼管粘結處產生較大的拉應力, 最大拉應力為1.12 MPa, 達混凝土抗拉強度設計值的54%, 鋼管和混凝土粘結界面拉應力達到粘結強度的80%。在循環氣溫荷載的作用下可能導致核心混凝土疲勞開裂甚至鋼管和混凝土脫粘問題的發生。在截面設計時，可在鋼管中輔以加勁肋等構造措施,加勁肋深入混凝土內部可起到減輕核心混凝土內部溫度變化的遲滯性,同時增加鋼管和混凝土的粘結面,減輕脫粘問題的發生。

(2)在日變化氣溫的作用下鋼管混凝土拱橋拱肋截面溫度場隨時間的變化呈現出一定的規律性。 不同拱肋截面形式, 在相同的氣候環境下截面溫度表現出很大的差異性, 在進行橋梁溫度分析時需要根據實際情況進行模擬。 根據截面溫度分布狀況可以將截面溫度分布形式分為4種狀況: ①夜晚呈現出溫度內高外低; ②白天表現出內低外高; ③開始升溫時刻表現出內外高中間低;④ 開始降溫時刻表現出內外低中間高。

表2 各工況下拉薩岸拱腳混凝土應力

(3)青藏高原地區溫差最大可達48.6 ℃,升降溫作用下拱腳截面部分上弦混凝土產生拉應力,其中降溫情況下4根上弦桿混凝土均產生較大的拉應力,且最大拉應力可達2.8 MPa。實際工程中需對拱腳上弦桿混凝土產生的拉應力予以重視,盡量降低橋梁的計算合龍溫度以規避較大的降溫溫差而產生的不利影響或采取一定的構造措施降低混凝土拉應力。