混凝土小箱梁橋溫度效應(yīng)實(shí)測(cè)與仿真分析

王亞飛，徐豐，鐘繼衛(wèi)，楊宏印1，，丁章杰

（1.橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430034；2.中鐵大橋科學(xué)研究院有限公司，武漢430034；3.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢430074）

1 引言

混凝土小箱梁橋較之T梁擁有更大的抗彎剛度，并且重心偏低，各梁之間橫向傳力充分，受力均勻，底板偏平，不易發(fā)生側(cè)翻。在設(shè)計(jì)施工方面，絕大多數(shù)小箱梁采用預(yù)制裝配式施工，其施工工藝較為標(biāo)準(zhǔn)化，能夠保證梁片的質(zhì)量。另外，在橋梁美觀及空間適用方面，對(duì)城市道路凈空要求較高的跨線橋，小箱梁具有較大的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，山西省的小跨徑橋梁中，空心板及T梁橋被小箱梁大范圍取代，總體占比達(dá)到了67%，成為山西省數(shù)量第一的梁橋類(lèi)型[1]。在廣東、陜西等省份，小箱梁在實(shí)際工程中也逐步取代T梁成為小跨徑橋梁的主要梁體形式[2]。

眾所周知，橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)有可能超過(guò)汽車(chē)荷載效應(yīng)，與恒載效應(yīng)在一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)前，有關(guān)混凝土梁式溫度效應(yīng)的研究主要集中在單箱單室或多室的大箱梁結(jié)構(gòu)[3，4]，針對(duì)橫向聯(lián)系在一起共同工作的多片小箱梁橋梁結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究尚為鮮見(jiàn)。本文構(gòu)建了一種多軟件協(xié)同仿真分析平臺(tái)，對(duì)武漢市中環(huán)線上的某跨混凝土小箱梁橋的溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)進(jìn)行了為期1年的實(shí)測(cè)與仿真分析，所用方法和所得結(jié)論對(duì)該類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)、施工、管養(yǎng)可起到一定的參考作用。

2 橋梁及觀測(cè)系統(tǒng)介紹

本文的研究對(duì)象為武漢市中環(huán)線上某5×25m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁的一跨，橋梁為東西走向。小箱梁頂板厚10cm，腹板厚30cm，底板厚16cm。在小箱梁橋邊梁的跨中布置了若干溫度傳感器，跨中梁底布置了振弦應(yīng)變計(jì)，在梁端與支座間布置了拉繩位移計(jì)，用來(lái)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)小箱梁橋的溫度、應(yīng)力以及位移變化情況，采集頻次為10min/次。圖1顯示了溫度傳感器的埋設(shè)位置。

圖1 溫度傳感器埋置圖

3 仿真技術(shù)路線

本文采取的是順序耦合法計(jì)算橋梁的溫度效應(yīng)，總體上是先在專(zhuān)業(yè)熱分析軟件平臺(tái)TaiTherm上進(jìn)行溫度場(chǎng)的時(shí)程計(jì)算，再將結(jié)果導(dǎo)入通用有限元軟件ANSYS中進(jìn)行溫度效應(yīng)計(jì)算。TaiTherm可以全面模擬熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3種傳熱方式，考慮熱輻射的多次反射以及太陽(yáng)輻射受地理位置、云層遮擋和散射等因素的影響。ANSYS在參數(shù)化建模上優(yōu)勢(shì)明顯，但其劃分的網(wǎng)格文件不能被TaiTherm讀取，故本文采用網(wǎng)格劃分通用性更強(qiáng)的Hypermesh來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使之成為T(mén)aiTherm與ANSYS的文件傳輸中轉(zhuǎn)平臺(tái)。最終，TaiTherm算出的溫度場(chǎng)結(jié)果再回代入ANSYS中做溫度效應(yīng)計(jì)算，在這個(gè)過(guò)程中，本文采用Matlab編程，將TaiTherm的結(jié)果文件轉(zhuǎn)化為ANSYS可以讀取的APDL語(yǔ)句。本文構(gòu)建的仿真技術(shù)路線如圖2所示。圖3顯示了由Hypermesh生成并導(dǎo)入TaiTherm的小箱梁橋溫度場(chǎng)計(jì)算模型。

圖2 仿真技術(shù)路線圖

圖3 Tai Ther m中的小箱梁計(jì)算模型

4 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果

4.1 溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)與仿真分析

在Taitherm中將圖3所示模型的地理位置、海拔高度等參數(shù)設(shè)置為武漢地區(qū)的特征值，再根據(jù)武漢地區(qū)2019年全年的氣象數(shù)據(jù)，包括太陽(yáng)輻射、氣溫、風(fēng)速、云量等參數(shù)的逐時(shí)記錄，構(gòu)造出TaiTherm環(huán)境熱分析所必須的天氣文件，分12個(gè)月對(duì)被觀測(cè)橋梁的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算。因篇幅原因，本文僅展示平均氣溫最低的1月和平均氣溫最高的7月小箱梁頂板底部的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 小箱梁橋頂板TS-01處溫度仿真計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

需要指出的是，由于橋梁現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的故障，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有少量缺失。另外，在仿真計(jì)算中，由于初始溫度取值的影響，在渡越時(shí)間內(nèi)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差別較大，但不超過(guò)2℃。總體上，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。

4.2 溫度效應(yīng)實(shí)測(cè)與仿真分析

基于前文構(gòu)建的多軟件仿真分析平臺(tái)，由橋址處的天氣條件對(duì)被觀測(cè)小箱梁橋的梁端縱向位移與跨中梁底正應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。此處依然僅展示1月和7月的計(jì)算與觀測(cè)結(jié)果，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比如圖5和圖6所示。從圖5可以看出，小箱梁梁端縱向位移預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值吻合情況較好。進(jìn)一步采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件SPSS對(duì)預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)2列數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者全年的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)接近0.9，顯著性水平P值小于0.01，說(shuō)明2組數(shù)據(jù)具有強(qiáng)相關(guān)性。從圖6可以看出，小箱梁跨中截面梁底正應(yīng)力的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)相同，但具體數(shù)值相差較大。分析表明，跨中截面梁底正應(yīng)力的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)約為0.7。究其原因，主要是跨中截面梁底正應(yīng)力中含有汽車(chē)荷載及其沖擊效應(yīng)。在很多文獻(xiàn)中，溫度效應(yīng)被視為噪聲來(lái)濾除，而本文研究的是溫度效應(yīng)，汽車(chē)荷載效應(yīng)則是干擾因素。

圖5 小箱梁梁端縱向位移預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖6 小箱梁跨中截面梁底正應(yīng)力預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 小箱梁的豎向梯度溫度模式

在實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)造出了符合武漢地區(qū)氣候條件的混凝土小箱梁的最不利豎向溫度梯度模式（見(jiàn)圖7）。該模式在梁頂采用的是指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合的，梯度溫度代表值略小于JTG D60—2015《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定值[5]。但是，該規(guī)范沒(méi)有考慮豎向溫度梯度模式在梁底的一段反折，這必將對(duì)溫度應(yīng)力的計(jì)算值產(chǎn)生影響，而且是偏于不安全的，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的重視。

圖7 混凝土小箱梁的最不利豎向溫度梯度模式

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)武漢市中環(huán)線上某跨混凝土小箱梁橋的溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)于仿真分析，得到了如下結(jié)論：

1）本文構(gòu)建的由TaiTherm、Hypermesh、ANSYS組成的協(xié)同仿真分析平臺(tái)可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)小箱梁橋的溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)。該方法應(yīng)該可以向其他地區(qū)乃至其他橋型推廣；

2）上述預(yù)測(cè)方法在溫度場(chǎng)和主要受溫度場(chǎng)影響的監(jiān)測(cè)指標(biāo)（如梁端縱向位移）的預(yù)測(cè)中效果良好；

3）符合武漢地區(qū)氣候條件的混凝土小箱梁的最不利豎向溫度梯度模式與設(shè)計(jì)規(guī)范相比有一定的差異，且偏于不安全，應(yīng)引起設(shè)計(jì)人員的注意。