特大拱橋鋼管混凝土拱肋日照溫度效應(yīng)研究

于孟生,鄧年春 ,王龍林,郝天之,張祖軍

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西北投交通養(yǎng)護科技集團有限公司，廣西 南寧 530007；4.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院 湖南 長沙 410114)

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)自1879年首次應(yīng)用于英國賽文鐵路橋[1]以來，因其優(yōu)良的力學(xué)特性一直受到人們的青睞。鋼管混凝土在我國起步較晚，但改革開放后，迅速取得了快速的發(fā)展。2020年12月份通車的廣西平南三橋，以主拱跨度575 m躋身世界第一拱橋。快速的發(fā)展也導(dǎo)致鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)研究的相對滯后，如鋼管混凝土拱肋的溫度效應(yīng)問題[2-4]也逐漸引起人們的重視。

天津大學(xué)周婷[5]等通過等比例模型試驗，基于試驗?zāi)Ｐ偷膶嶋H溫測數(shù)據(jù)，分析了自然環(huán)境中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)溫度場分布；祁強[6]等以西北地區(qū)某拱橋為例，對鋼管混凝土主拱結(jié)構(gòu)在嚴寒地區(qū)的溫度場變化規(guī)律進行分析；福州大學(xué)陳寶春[7]在分析鋼管混凝土結(jié)構(gòu)溫度場的同時，針對性的研究了鋼材、混凝土兩種不同熱力學(xué)特性材料之間的熱脫粘性現(xiàn)象；CHEN[8]通過鋼管混凝土模型試驗分析了不同影響因素下的構(gòu)件溫度場效應(yīng)；LIU[9]采用數(shù)值模擬的方法，模擬低溫風(fēng)場下鋼管混凝土構(gòu)件的截面溫度分布；李自林[1]以某鐵路鋼管混凝土拱橋為例，分析鐵路重載情況下拱橋整體的溫度場效應(yīng)；花東強[10]分析了日照溫度作用下鋼材、混凝土之間邊界粘脫發(fā)生機理及變化規(guī)律，但缺乏對溫度場效應(yīng)的進一步研究。

截止目前，針對鋼管混凝土拱肋溫度效應(yīng)問題的研究仍很缺乏。因此，本文以平南三橋鋼管混凝土拱肋為分析對象，基于拱肋截面實際溫測數(shù)據(jù)，采用ANSYS有限元方法，建立拱肋截面數(shù)值模型，對拱肋截面的日照溫度效應(yīng)進行分析。

1 依托工程概況

平南三橋為荔(浦)玉(林)高速跨越潯江的控制性工程，為主拱拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的中承式拱橋，主跨575 m，凈跨徑548 m。主跨橋跨構(gòu)造見圖1。

圖1 橋跨構(gòu)造(單位：m)

采用鋼管混凝土桁式拱肋，拱肋之間采用空腹式桁架鋼管連接。主拱采用1∶4的矢跨比，1.5的拱軸系數(shù)。主拱上(偏西側(cè))下(偏東側(cè))游側(cè)拱肋寬度4.2 m，拱肋間距25.9 m，拱肋高度由17 m(拱腳)漸變至8.5 m(拱頂)。每側(cè)拱肋由上下各2根共計4根直徑1.4 m鋼弦管組成，鋼弦管內(nèi)填充C70砼。主跨梁部采用鋼箱梁，通過吊桿與拱肋連接。如圖2所示。

圖2 主跨橫斷面(單位：cm)

2 測點布置

平南三橋順橋向為北偏西約30°方向，為盡可能測量到拱肋日照溫度的最不利工況，選擇拱肋最高點截面作為測點布設(shè)截面，該處拱肋所受日照輻射強度及時長最大。該橋主拱有上游(偏西側(cè))和下游(偏東側(cè))兩個主拱肋，由于兩個主拱肋結(jié)構(gòu)尺寸，方向均一致，為避免重復(fù)，選擇下游偏東側(cè)拱肋頂部截面進行測點布設(shè)。如圖3所示。

圖3 測點布置圖

圖3中，S1～S8為拱肋外部測點，用于測量拱肋外部對應(yīng)位置測點溫度，H-01～H-06為內(nèi)部測點，用于測量弦管內(nèi)混凝土厚度方向測點位置溫度。采用埋入式溫度計和自動信號采集儀，可實現(xiàn)快速、實時、便捷測量拱肋截面測點位置溫度數(shù)據(jù)。

3 有限元模型建立

平南三橋鋼管混凝土拱肋上下部分弦管內(nèi)的溫度效應(yīng)沿豎向空腹式鋼管腹板的傳遞可忽略不計[1]，因此拱肋上下部分弦管之間溫度場可均看作獨立的溫度場。為避免重復(fù)，本文選擇拱肋上部弦管部分作為分析對象，采用ANSYS軟件建立鋼管混凝土拱肋上部弦管平面模型，如圖4所示。

圖4 拱肋截面數(shù)值模型

拱肋的溫度場分析屬于ANSYS中的熱分析類型，可采用適合二維瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)熱PLANE55平面單位作為拱肋截面的溫度場分析單元。由于鋼材和混凝土的熱力學(xué)特性不同，拱肋弦管內(nèi)二者之間形成了較為復(fù)雜的耦合邊界條件，因此，選擇SURF151表面效應(yīng)單元模擬耦合邊界單元，以更好地模擬真實的弦管內(nèi)溫度場分布。拱肋截面的溫度應(yīng)力分析屬于ANSYS中的結(jié)構(gòu)分析類型，此時，需將適合溫度場分析的PLANE55單元轉(zhuǎn)換為適用于溫度應(yīng)力分析的PLANE181單元，同理，表面效應(yīng)單元SURF151轉(zhuǎn)換為SURF153單元[5]。

假定平南三橋主拱拱肋內(nèi)C70混凝土密度2 600 kg/m3，比熱930J/(kg.℃)，熱傳導(dǎo)系數(shù)2.35 W/(m.℃)[11]。假設(shè)拱肋弦管與弦管內(nèi)砼粘結(jié)良好，在進行 ANSYS軟件數(shù)值模擬中，采用共節(jié)點來實現(xiàn)二者的良好粘結(jié)。

4 結(jié)果分析

4.1 拱肋截面溫度場實測分析

對平南三橋鋼管混凝土拱肋溫度場進行了近3個月的實時測量，時間跨度經(jīng)歷了初夏至夏季炎熱天氣的過程，取得了大量的溫度荷載工況。從已收集的拱肋截面測點實測溫度數(shù)據(jù)可知，近3個月的溫度測量過程中，拱肋截面的溫度場也是復(fù)雜多變的。限于篇幅，本文從測量數(shù)據(jù)中依次選取一個晴天(7月15日)和一個陰雨天(7月24日)的拱肋截面測點溫度數(shù)據(jù)進行分析，見圖5、圖6。為避免重復(fù)，僅選擇拱肋上部弦管外側(cè)測點S1～S4溫測數(shù)據(jù)作為分析對象。

圖5 S1～S4測點溫度變化(晴朗天氣)

圖6 測點溫度變化(陰雨天氣)

從圖5可知，晴朗天氣時平南三橋鋼管混凝土拱肋外部埋設(shè)的測點S1～S4溫度變化情況較一致。從凌晨至上午6時，各測點溫度均處于下降趨勢，但降溫幅度不大；自上午6時起，隨著太陽輻射強度的增大及照射時間的增加，拱肋各外側(cè)測點溫度又處于上升狀態(tài)。上午時，偏東側(cè)S1、S2測點由于首先受到日照輻射影響，兩測點升溫較快，至下午13時(S1測點)和14時(S2測點)分別達到當(dāng)日最高溫度45.6 ℃、47 ℃，最大溫差分別達19 ℃、21 ℃。隨后，因日照角度的偏移，S1、S2測點溫度又呈降溫趨勢，降溫過程一直持續(xù)到夜里零時。

偏西側(cè)S3、S4測點由于受日照輻射較晚，上午時測點溫度增加較緩慢，S4測點位于拱肋偏西側(cè)位置，上午屬于背陽面，溫度變化更為遲緩。至下午15時(S3測點)、16時(S4測點)兩測點分別達到當(dāng)日最高溫度48.5 ℃、45.2 ℃，最大溫差分別達23.4 ℃、18.2 ℃。之后，隨著當(dāng)日日照強度的減弱，測點溫度又呈降溫趨勢，直至夜里零時。S1～S4測點依次到達當(dāng)日最高氣溫的時間各不相同，是由于所處位置不同導(dǎo)致的日照方位角和日照時長不同的緣故。各測點溫度到達當(dāng)日最高氣溫的時間點不同，是由于測點位置不同導(dǎo)致日照方位角和時長的不同。

從圖6可看出，陰雨天氣時鋼管混凝土拱肋外部測點S1～S4溫度變化情況基本一致。因無日照影響，從凌晨至上午9時，各測點溫度均處于下降趨勢，從上午9時至下午16時左右，受天空散熱輻射及逆輻射等因素影響各測點又處于緩慢升溫狀態(tài)，因熱量較少，各測點當(dāng)日升溫幅度很小，最大升溫4.5 ℃(偏東側(cè)S2測點，當(dāng)日最高氣溫28.2 ℃)、3.9 ℃(偏西側(cè)測點S3，當(dāng)日最高氣溫27.5 ℃)。下午16時后，因日照熱量進一步減少，拱肋各測點氣溫又處于降溫狀態(tài)直至夜里零時。

對比晴朗天氣和陰雨天氣拱肋外部測點的溫度變化情況可知，晴朗天氣時，日照強度高和受日照時間長，S1～S4測點當(dāng)日溫差較大，最大達23.4 ℃(S3測點)。陰雨天氣，因無日照影響，拱肋各測點溫度變化幅度較小，最大僅4.5 ℃。可見，晴朗天氣時，鋼管混凝土拱肋截面更容易出現(xiàn)最不利溫度場分布，即最不利溫度工況。

依據(jù)拱肋測點實測溫度數(shù)據(jù)，選取7月15日當(dāng)日14時(S2測點極值時刻，最大溫差為21 ℃)和15時(S3測點極值時刻，最大溫差為23.4 ℃)兩個時刻測點溫度作為最不利溫度工況加載。

4.2 拱肋截面溫度場數(shù)值模擬分析

依據(jù)7月15日實測數(shù)據(jù)，當(dāng)日14:00和15:00時，偏東側(cè)和偏西側(cè)弦管內(nèi)沿混凝土厚度方向的測點實測溫度為表1所示。

表1 內(nèi)部測點控制時刻溫度Table1 Controltimetemperatureofinternalmeasuringpoint時刻偏東側(cè)測點14:00H-01H-02H-03H-04H-05H-064744.842.440.838.436.2時刻偏西側(cè)測點15:00H-01H-02H-03H-04H-05H-0648.545.743.841.639.237.2

依次將以上兩個時刻拱肋外部實測溫度工況施加在ANSYS數(shù)值模型上，得到鋼管混凝土拱肋偏東側(cè)和偏西側(cè)弦管內(nèi)溫度場分布，如圖7、圖8。

圖7 偏東側(cè)弦管溫度場

圖8 偏西側(cè)弦管溫度場

依據(jù)圖7、圖8，將拱肋偏東側(cè)、偏西側(cè)弦管溫度場ANSYS理論計算值與弦管內(nèi)對應(yīng)位置測點溫度實測值進行對比，結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 溫度值比較(偏東側(cè))

圖10 溫度值比較(偏西側(cè))

從圖9、圖10中可看出，平南三橋鋼管混凝土拱肋上部偏東側(cè)及偏西側(cè)弦管在各自溫度極值工況下沿拱肋弦管內(nèi)混凝土厚度方向溫度場ANSYS計算結(jié)果與實際結(jié)果較一致，二者溫度最大相差0.6 ℃，最小約0 ℃。計算結(jié)果表明：基于拱肋截面實側(cè)日照溫度數(shù)據(jù)，采用ANSYS有限元方法進行鋼管混凝土拱肋溫度效應(yīng)分析是可行的，計算結(jié)果可靠。

4.3 拱肋截面溫度應(yīng)力分析

在完成溫度場求解后，保持節(jié)點和單元網(wǎng)格劃分不變，在ANSYS中通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析功能，將熱分析單元PLANE55轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析單元PLANE181，即熱應(yīng)力分析類型，兩種材料屬性一致，表面效應(yīng)單元隨之改變。將溫度場分析的結(jié)果作為新的邊界條件進行分析求解，即得到鋼管混凝土拱肋的溫度應(yīng)力計算結(jié)果。考慮混凝土與鋼材熱力學(xué)參數(shù)的迥異，相同的日照溫差工況下二者的溫度效應(yīng)也不同，因此溫度效應(yīng)分析僅顯示出混凝土部分，以利于觀察和分析。

為節(jié)約篇幅，選擇7月15日當(dāng)日14:00時拱肋各測點實測溫度作為最不利分析工況，采用ANSYS軟件分析該工況下平南三橋鋼管混凝土拱肋溫度應(yīng)力分布，計算結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 拱肋截面溫度應(yīng)力分布(X方向)

圖12 拱肋截面溫度應(yīng)力分布(Y方向)

從圖11可知，在當(dāng)日14時實測溫度工況下，平南三橋鋼管混凝土拱肋弦管內(nèi)截面外緣整體呈受壓狀態(tài)，這是因為隨著溫度上升混凝土結(jié)構(gòu)受熱膨脹，但同時又受到鋼弦管約束的緣故。不考慮邊界上的應(yīng)力集中，拱肋弦管內(nèi)截面上緣由于受日照輻射強度大，日照時間長，弦管內(nèi)截面上緣升溫也越明顯，該部分溫度場分布的溫度也越高，溫度效應(yīng)引起的壓應(yīng)力越大，最大9.73 MPa，溫度引起的壓應(yīng)力范圍為6.51～9.73 MPa。混凝土下邊緣部分由于總體處于背陽面，受拱肋弦管的遮擋，導(dǎo)致側(cè)面下緣整體溫度較低，溫度效應(yīng)引起的壓應(yīng)力較小，壓應(yīng)力值分布范圍為2.23～6.51 MPa。

從圖12中可看出，在當(dāng)日14時實測溫度工況下，平南三橋鋼管混凝土拱肋弦管截面Y方向溫度應(yīng)力分布同X方向類似，也呈邊緣受壓狀態(tài)。拱肋弦管截面上緣溫度效應(yīng)同樣更顯著，其壓應(yīng)力值范圍為5.91～8.93 MPa，下緣壓應(yīng)力值范圍為1.88～5.91 MPa。

從圖11、圖12中可看出，平南三橋鋼管混凝土拱肋截面X方向及Y方向溫度應(yīng)力基本均以截面豎向中軸線對稱分布。偏東側(cè)弦管內(nèi)的邊緣壓應(yīng)力略大于偏西側(cè)弦管內(nèi)的邊緣壓應(yīng)力，這是由于偏東側(cè)弦管率先受到日照輻射影響的緣故。由于平南三橋縱橋向為北偏西約30°方向，至下午14:00時，拱肋兩側(cè)弦管內(nèi)的溫度場分布較接近，引起的兩側(cè)弦管溫度應(yīng)力分布也相差不大。Y方向應(yīng)力分布中混凝土邊緣出現(xiàn)拉應(yīng)力，是由于邊界處產(chǎn)生應(yīng)力集中的緣故。

5 結(jié)論

基于平南三橋鋼管混凝土拱肋實測溫度數(shù)據(jù)，對鋼管混凝土拱肋溫度效應(yīng)進行了分析，得出以下結(jié)論：

a.鋼管混凝土拱肋截面的最不利溫度場分布更易在晴朗天氣出現(xiàn)，在拱肋施工時應(yīng)予以考慮。

b.基于拱肋實測溫度數(shù)據(jù)采用ANSYS有限元方法進行鋼管混凝土拱肋截面溫度效應(yīng)分析是可行的，溫度效應(yīng)的計算結(jié)果是可靠的。為拱橋現(xiàn)場施工人員提供了一種更為便捷的拱肋溫度效應(yīng)分析方法，與模型試驗相比，大大節(jié)約了工程造價。

c.在所選當(dāng)日最不利日照溫度工況下，拱肋弦管內(nèi)混凝土截面外緣整體呈受壓狀態(tài)，且上緣壓應(yīng)力較下緣大。截面X、Y方向最大壓應(yīng)力依次為9.73、8.93 MPa，說明日照溫度效應(yīng)不容忽視。以上結(jié)論可為同類型拱肋結(jié)構(gòu)施工及設(shè)計提供參考。