鋼管混凝土拱肋日照梯度溫度效應(yīng)研究

郭增偉,張亞麗,楊一帆,周水興

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)

0 引 言

隨著對鋼管混凝土性能的深入研究,管內(nèi)混凝土已從最初的防銹功能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥摴苈?lián)合承載的結(jié)構(gòu),并廣泛應(yīng)用到橋梁建設(shè)中。自20世紀(jì)90年代以來,中國修建的各式鋼管混凝土拱橋已超400座[1]。盡管鋼管混凝土拱橋發(fā)展很快,但作為一種新興的組合結(jié)構(gòu),在理論計(jì)算方面仍滯后于實(shí)踐,同時(shí)在施工及服役期間的鋼管混凝土拱橋由于溫度荷載影響,大都存在熱脫空現(xiàn)象[2],由此會造成安全問題。

有研究表明,由于溫度荷載引起的截面溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)力相當(dāng)[3]時(shí),極易造成結(jié)構(gòu)脫空,大量學(xué)者針對溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響做了研究。頡志強(qiáng)等[4]通過現(xiàn)場試驗(yàn)與精細(xì)化仿真分析相結(jié)合的方法,對西藏高海拔地區(qū)的水工混凝土結(jié)構(gòu)在日照下的溫度分布不均勻性進(jìn)行了計(jì)算與模擬,給出了提高結(jié)構(gòu)受照模擬效率的快速算法,并開發(fā)了計(jì)算程序;韓輝等[5]以合陽嘉陵江大橋鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο?比較分析了該橋?qū)崪y變形與理論溫差計(jì)算變形間的差異及原因,指出溫度對拱橋線形的影響不容忽視;林春姣等[6]以桁式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο?考慮了遮擋的影響,采用數(shù)值模擬對拱肋各弦管的日照溫度場進(jìn)行了研究,結(jié)果表明下弦管受遮擋影響較大,導(dǎo)致上弦管較下弦管溫度高;朱勁松等[7]提出一種三維遮光算法,可精確預(yù)測橋梁季節(jié)性溫度場及應(yīng)力效應(yīng),并得到夏季鋼梁最大熱應(yīng)力達(dá)30 MPa,偏移最大為22 mm。不難看出溫度荷載尤其是太陽輻射季節(jié)性變化對橋梁結(jié)構(gòu)影響很大,但目前的研究僅局限于對鋼管混凝土截面在日照溫度荷載作用下的溫度分布規(guī)律,以及截面溫度應(yīng)力定性及極值研究,缺乏對整個(gè)截面溫度及應(yīng)力效應(yīng)的梯度分布計(jì)算模式研究,對減弱溫度荷載病害的指導(dǎo)性不足。

基于溫度場試驗(yàn)與有限元模擬相結(jié)合的方式,在已有研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究鋼管混凝土拱肋的日照溫度場分布計(jì)算模式,及對最大溫差下鋼管和混凝土間的接觸應(yīng)力及接觸間隙等效應(yīng)的梯度分布進(jìn)行分析,以期為防治因日照溫度荷載造成的鋼管混凝土拱肋脫空提供新思路。

1 日照溫度場ANSYS模擬

1.1 日照輻射強(qiáng)度計(jì)算

結(jié)構(gòu)溫度場是溫度在時(shí)間和空間上的一個(gè)三維瞬態(tài)分布,太陽輻射就是影響溫度場分布的一個(gè)重要因素。目前,在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域最常用的太陽輻射計(jì)算模型是ASHRAE晴空模型[8]。任意構(gòu)件表面上的總輻射強(qiáng)度Iθ包括:太陽直射輻射強(qiáng)度ID,θ、太陽散射輻射強(qiáng)度Id,θ和構(gòu)件表面上獲得的地面反射輻射強(qiáng)度IR, θ,計(jì)算如式(1):

Iθ=ID,θ+Id,θ+IR,θ

(1)

式中:Iθ的下標(biāo)θ為所計(jì)算構(gòu)件表面與地球水平面之間的夾角。

ID,θ、Id,θ、IR,θ計(jì)算如式(2)～式(4):

(2)

(3)

(4)

式中:IH為到達(dá)地球水平面上總的太陽輻射強(qiáng)度,IH=IDH+IdH;IDH為到達(dá)地球水平面的太陽直射輻射強(qiáng)度,IDH=I0PmIH;IdH為太陽散射輻射強(qiáng)度,IdH=1/2I0sinh(1-Pm)/(1-1.4lnp);I0為太陽常數(shù),由I0=1 367[1+0.033cos(360N/365)]計(jì)算得到,N為日序數(shù),P為大氣透明系數(shù),m為大氣質(zhì)量,忽略地球曲率影響可由m=1/sinh計(jì)算得到;h為太陽高度角,與赤緯角δ、時(shí)角ω以及觀測點(diǎn)的地理緯度φ有關(guān),δ=23.45sin[360×(284+N)/365],ω=15×(12-ST),ST為真太陽時(shí),以24小時(shí)計(jì),ST=北京時(shí)間-(120-當(dāng)?shù)亟?jīng)度)/15+td,td為時(shí)差,td=0.165sin2θN-0.025sinθN-0.126cosθN,θN為日序數(shù)變化的日角[9],θN=360(N-81)/364;太陽方位角α計(jì)算公式見文獻(xiàn)[10];ρG為構(gòu)件表面對太陽輻射的反射率,通常鋼管表面取0.2;i為構(gòu)件表面的太陽入射角,cosi=cosθ′sinh+sinθcoshcos(α-γ),θ′為任意表面傾斜角,γ為任意表面方位角。

以每個(gè)測點(diǎn)切線方向所在傾斜面上的太陽輻射強(qiáng)度來代替該測點(diǎn)的太陽輻射強(qiáng)度值,傾斜面太陽強(qiáng)度計(jì)算示意如圖1,傾斜面上太陽光線角度參數(shù)示意圖2。

圖1 傾斜面太陽強(qiáng)度計(jì)算示意Fig. 1 Schematic diagram of solar intensity calculation on inclined plane

圖2 傾斜面上太陽光線角度參數(shù)示意Fig. 2 Schematic diagram of angle parameters of sunlight on inclined plane

1.2 ANSYS熱邊界條件實(shí)現(xiàn)

計(jì)算鋼管混凝土結(jié)構(gòu)日照輻射溫度場需要初始條件與邊界條件2個(gè)重要的定解條件。初始條件取06:00左右截面的溫度分布,并且假定此時(shí)截面溫度分布均勻。邊界條件包括鋼管表面來自于太陽輻射的熱流密度(第二類邊界條件),與周圍環(huán)境之間的對流和輻射熱交換(第三類邊界條件),鋼管與混凝土之間的接觸面熱傳遞性能良好(第四類邊界條件)[10]。第二類邊界中的熱流密度q(t)具體計(jì)算見式(5)～式(7),第三類邊界條件由對流換熱系數(shù)表征,其經(jīng)驗(yàn)公式見(9),第四類邊界條件在ANSYS中通過接觸單元模擬。

q(t)=qs+qr

(5)

qs=0.6·Iθ

(6)

qr=εCs[εa(Ta(t)+273)4-(T+273)4]

(7)

Ta(t)=0.5(Tmax-Tmin)·sin[(t-t0)×15°]

(8)

(9)

式中:qs為太陽輻射鋼管表面熱流密度;qr為鋼管表面長波輻射熱流密度;ε為鋼管表面輻射吸收率,金屬材料表面可近似取0.9;Cs為蒂芬-玻爾茲曼常數(shù),取5.67×10-8W/(m2·k4);εa為大氣的長波輻射率,可近似取0.82;T為鋼管混凝土拱肋表面溫度;Ta(t)為外界大氣溫度,假定其按正弦函數(shù)變化;Tmax、Tmin分別為當(dāng)日最高、最低氣溫;t0為當(dāng)日最高氣溫出現(xiàn)的時(shí)刻;hc為對流換熱系數(shù);v為風(fēng)速。

1.3 溫度場有限元模型及其有效性

鋼管混凝土的溫度-應(yīng)力場分析擬以四川省犍為岷江特大橋橋址處的一拱肋試驗(yàn)段為背景,選用規(guī)格為φ800 mm×10 mm×14 500 mm(直徑×壁厚×長度)的鋼管,內(nèi)填C60自密實(shí)混凝土形成鋼管混凝土構(gòu)件,沿東-西方向水平放置于地面〔圖3(a)〕。取距離構(gòu)件左端7.0 m的截面,將截面等分為16份,并按照圖3(b)的標(biāo)記進(jìn)行測點(diǎn)標(biāo)號,使用紅外線測溫槍于2020年7月25日開始連續(xù)1個(gè)月采集鋼管表面各測點(diǎn)溫度值。

圖3 鋼管混凝土構(gòu)件測點(diǎn)布置圖及測溫儀器Fig. 3 Layout of measuring points and temperature measuring instruments for concrete filled steel tubular members

由于鋼管混凝土構(gòu)件水平放置于地面上,截面能測量的有效測點(diǎn)只有1～13。

假設(shè)沿拱肋長度方向沒有熱傳導(dǎo),將溫度場簡化為平面二維溫度場。采用ANSYS中熱力耦合模型,定義鋼管與混凝土為Plane55單元建立溫度場分析模型,核心混凝土本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[11]的本構(gòu)模型,在進(jìn)行完溫度熱分析之后,將單元轉(zhuǎn)換為Plane182,并將溫度場分析結(jié)果作為邊界條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。鋼管與混凝土間采用面面接觸單元模擬,鋼管內(nèi)表面采用TARGE169單元模擬,混凝土外表面采用CONTA172單元模擬,摩擦系數(shù)取0.6,設(shè)置法向接觸剛度因子為0.1,剛度矩陣選擇非對稱陣。整個(gè)截面劃分為1 561個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 880個(gè)單元。溫度-應(yīng)力場分析中使用的材料熱工及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 鋼管、混凝土熱工和力學(xué)參數(shù)表Table 1 Thermal and mechanical parameters of steel pipe and concrete

考慮到非線性溫度場與時(shí)間的相關(guān)性,計(jì)算00:00到24:00的溫度場,每小時(shí)劃分為24個(gè)荷載步,時(shí)間子步為36 s,計(jì)算初始時(shí)刻設(shè)為06:00,初始溫度取25 ℃。為檢驗(yàn)有限元溫度場分析結(jié)果的正確性,取鋼管表面測點(diǎn)1、5、9繪制其實(shí)測與有限元模擬的溫度時(shí)變曲線如圖4。

圖4 實(shí)測與有限元對比Fig. 4 Comparison between the measured and finite element model

從圖4可知:實(shí)測值與模型計(jì)算變化曲線均先增大后減小,且出現(xiàn)最高溫度的極值點(diǎn)處也相近,誤差在2 ℃內(nèi),可認(rèn)為拱肋日照溫度場模型計(jì)算結(jié)果具有很好的準(zhǔn)確性。拱肋在水平位置上東-西向放置,且鋼管下部接近地面的測點(diǎn),由于受到遮擋,其接受到的太陽輻射較少,因此其溫度變化僅在25～35 ℃。在水平對稱軸以上的測點(diǎn),受到的太陽輻射多,且犍為縣位于北回歸線以北,正午時(shí)太陽在正南方向,因此,在14:00—15:00日照最強(qiáng)的時(shí)刻,鋼管外的最高溫度出現(xiàn)在接近鋼管頂部偏南側(cè)的測點(diǎn)9。

為進(jìn)一步分析鋼管混凝土截面溫度場的空間分布規(guī)律,鋼管混凝土拱肋截面在部分典型時(shí)刻下的溫度場云圖如圖5。

圖5 典型時(shí)刻截面溫度場云圖Fig. 5 Nephogram of cross-section temperature field at typical time

由5圖可知:

1)在日照輻射作用下,鋼管混凝土拱肋截面溫度場呈現(xiàn)出外高內(nèi)低的不均勻分布狀態(tài), 15:00時(shí)鋼管表面溫度最高達(dá)到54.6 ℃,核心混凝土的圓心處只有25.9 ℃,最大梯度溫差為28.6 ℃。這是因?yàn)殇摴芘c混凝土作為2種材料,鋼材導(dǎo)熱系數(shù)約為混凝土的34倍,在相同時(shí)間內(nèi)鋼管能夠迅速升溫,混凝土則升溫滯后。

2)09:00時(shí)鋼管外表面最高溫度僅有30.4 ℃,與大氣溫度接近; 15:00時(shí)鋼管表面溫度在太陽輻射作用下達(dá)到54.6 ℃,比當(dāng)時(shí)氣溫(36.6 ℃)高出18.0 ℃;到18:00時(shí)隨著太陽輻射強(qiáng)度的減弱,鋼管表面溫度開始下降,但隨著熱量由鋼管表面向內(nèi)部混凝土的傳遞,混凝土溫度開始緩慢升高;到21:00,截面最高溫度已移至核心混凝土,最高溫度達(dá)到37.9 ℃,而此時(shí)大氣溫度29.8 ℃比核心混凝土低8.1 ℃。

3)太陽輻射對截面溫度場分布的影響主要集中在與鋼管壁臨近的混凝土部分。在日照輻射的作用下,鋼管升溫較快,而與其接觸的混凝土由于導(dǎo)熱系數(shù)較小,溫度傳導(dǎo)較慢,因此溫度場云圖呈現(xiàn)出多層次溫度分布,且沿半徑方向梯度溫差變化較大。

2 日照梯度溫度模式分析

2.1 環(huán)向梯度溫度分布模式

通過對日照溫度場結(jié)果云圖的觀察,發(fā)現(xiàn)在接近鋼管壁的混凝土存在著明顯的溫度梯度。因此,以測點(diǎn)所在位置夾角為θ坐標(biāo),溫度值為ρ坐標(biāo),繪制典型時(shí)刻日照溫度梯度玫瑰圖如圖6,以探析日照溫度梯度的環(huán)向分布模式。

圖6 典型時(shí)刻截面環(huán)向梯度溫度玫瑰圖Fig. 6 Temperature rosette of section circumferential gradient at typical time

由圖6可知:

1)在不同的時(shí)刻,鋼管外、內(nèi)表面與核心混凝土外表面3者在環(huán)向上的溫度分布曲線幾乎重合。由于鋼管是熱的良導(dǎo)體,當(dāng)鋼管外表面接受到太陽輻射時(shí),熱量可在鋼管厚度方向迅速傳遞至鋼管內(nèi)表面,同時(shí)鋼管與混凝土間具有良好的熱連續(xù)性,核心混凝土的外表面也幾乎和鋼管內(nèi)表面溫度一致。

2)09:00—15:00太陽輻射逐漸變強(qiáng),截面的溫度梯度也逐漸變大,最大溫度梯度可達(dá)28 ℃,出現(xiàn)在鋼管混凝土截面測點(diǎn)8、16連線,即與水平面成67.5°的方向上,這個(gè)方向正是太陽入射角30°的位置,此處太陽入射光線最接近垂直入射方向;混凝土溫度梯度變化最快的范圍是距離鋼管表面100 mm以內(nèi)的混凝土,超過100 mm后溫度梯度變化不再明顯,這與JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中推薦的表層混凝土梯度溫度分布模式一致。

3)15:00過后,太陽輻射強(qiáng)度逐漸減弱,鋼管導(dǎo)熱系數(shù)較大,降溫快。接近鋼管的混凝土溫度會由于外部熱量的傳導(dǎo)而逐漸升高,到18:00時(shí)鋼管混凝土最大梯度溫差僅5 ℃左右,之后鋼管混凝土內(nèi)部梯度溫度場并沒有顯著變化。

2.2 徑向梯度溫度分布模式

橋梁結(jié)構(gòu)的溫度梯度分布模式已有大量研究,但主要是針對鋼箱梁或混凝土箱梁的梯度溫度分布模式,計(jì)算曲線多為多段折線、拋物線以及指數(shù)函數(shù)[12-14]。而對于鋼管混凝土這一組合結(jié)構(gòu),其截面梯度溫度分布計(jì)算模式還有待研究。

梯度溫度為結(jié)構(gòu)斷面各點(diǎn)溫度與該斷面上最低溫度的差值[15]。通過鋼管混凝土構(gòu)件截面環(huán)向梯度溫度玫瑰圖可以看出,在徑向的67.5°方向上溫度梯度變化最大,因此提取15:00時(shí)沿徑向67.5°方向的溫度值,分析鋼管混凝土徑向梯度溫度場的分布模式,并以15:00時(shí)該徑向最低溫度為溫度基準(zhǔn)值,計(jì)算徑向不同深度處的梯度溫度(圖7),同時(shí)以鋼管直徑D為基準(zhǔn)值進(jìn)行無量綱化,用y/D來表征各點(diǎn)在徑向的位置關(guān)系,作為對比圖7還給出了JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的梯度溫度分布模式。

圖7 15:00徑向梯度溫度分布曲線比較Fig. 7 Comparison of radial gradient temperature distribution curves at 15:00

由圖7可以看出:

1)在距離鋼管表面10 cm范圍內(nèi),鋼管混凝土沿徑向的溫度變化梯度的計(jì)算結(jié)果明顯高于2本規(guī)范,相同位置處鋼管混凝土溫度比JTG D60—2015中推薦值高5 ℃左右,比TB 10092—2017中推薦值大8 ℃左右。

2)在距離鋼管表面10～20 cm范圍,2本規(guī)范推薦的溫度變化梯度均比數(shù)值模擬結(jié)果小,且數(shù)值模擬結(jié)果逐漸接近于TB 10092—2017溫度梯度曲線。

3)鋼管混凝土梯度溫度場的分布深度大約為40 cm,這點(diǎn)與JTG D60—2015中推薦值一致,僅為TB 10092—2017推薦值的50%。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,鋼管內(nèi)部的梯度溫度場并不符合規(guī)范中推薦的單調(diào)分布規(guī)律,在距離鋼管表面40 cm(D/2)后鋼管混凝土內(nèi)的溫度隨徑向深度增加而增大。

鑒于在鋼管混凝土梯度溫度場的分布深度40 cm范圍內(nèi)其沿徑向的分布整體呈現(xiàn)指數(shù)分布的規(guī)律,參考TB 10092—2017使用式(10)描述徑向梯度溫度的計(jì)算模式:

Ty=T0e-αy

(10)

式中:T0指截面徑向最大的溫度梯度值,取30 ℃;y為計(jì)算點(diǎn)與構(gòu)件上表面的徑向距離;Ty為計(jì)算點(diǎn)位置處的溫度梯度值;α為指數(shù)值,由數(shù)值計(jì)算結(jié)果擬合確定。表2為在徑向梯度溫度變化較大的40 cm范圍內(nèi)截面徑向梯度溫度計(jì)算模式的特征參數(shù)取值,其擬合曲線與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果能夠較好的吻合。

表2 鋼管混凝土截面徑向梯度溫度計(jì)算模式的特征參數(shù)取值Table 2 Characteristic parameter values for radial gradient temperature calculation mode of steel tube concrete cross-section

對于截面徑向在水平對稱軸以下的部分(距鋼管表面距離>40 cm),其梯度溫度隨距鋼管上表面距離的增大而增大,此時(shí)仍采用以e為底的指數(shù)分布來計(jì)算并不合理,因此根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果曲線趨勢,采用冪函數(shù)能更好地描述距鋼管表面40 cm以外部分的梯度溫度計(jì)算模式,其計(jì)算形式可假設(shè)為:

Ty=T1yα

(11)

式中:T1為距離鋼管拱頂表面最遠(yuǎn)的徑向拱底溫度值,取35 ℃;由數(shù)值結(jié)果擬合取α=6.5。截面徑向水平對稱軸以下部分的梯度溫度計(jì)算模式為:

Ty=35y6.5

(12)

2.3 最大梯度溫差的時(shí)變規(guī)律

為說明鋼管混凝土截面中最大溫度梯度隨時(shí)間的變化規(guī)律,圖8給出了截面沿67.5°方向上鋼管外表面與距離鋼管表面5、10、20、40 cm深度處的最大梯度溫差隨時(shí)間的變化規(guī)律。

圖8 67.5°方向上不同深度處截面最大梯度溫差的時(shí)變規(guī)律 Fig. 8 Time-varying law of the maximum gradient temperature difference at different depths of the cross-section in the 67.5 ° direction

由圖8可知: 10:00時(shí)不同深度處的梯度溫差均出現(xiàn)快速上升,下午14:00—15:00時(shí)左右梯度溫差達(dá)到峰值,鋼管表面與40 cm深度處溫度差最大值達(dá)到28 ℃,之后隨時(shí)間逐漸降低;距離鋼管表面的深度越大,最大梯度溫差越大但達(dá)到峰值的時(shí)間越晚,梯度溫差降低的速率也越慢,這是由于作為熱不良導(dǎo)體的管內(nèi)混凝土熱量向徑深的傳導(dǎo)本就困難,需要長時(shí)間輻射熱量的輸入,這也導(dǎo)致了深度越深的混凝土溫度升高越慢,達(dá)到峰值溫度需要的時(shí)間越長,太陽落山后鋼管外側(cè)溫度下降很快,而管內(nèi)核心混凝土中積累的熱量不容易向外擴(kuò)散,溫度下降所需時(shí)間也最長。

3 鋼管-混凝土截面接觸應(yīng)力分布

鋼管和內(nèi)部混凝土的密切粘結(jié)是鋼管混凝土結(jié)構(gòu)套箍效應(yīng)發(fā)揮的前提。由于鋼管和混凝土熱傳導(dǎo)性能的顯著差異,日照輻射下鋼管混凝土內(nèi)部存在較大的溫度梯度,這種梯度溫差將導(dǎo)致鋼管和混凝土的界面產(chǎn)生拉應(yīng)力[16]。

3.1 梯度溫度應(yīng)力空間分布模式

圖9給出了15:00時(shí)接觸單元的接觸應(yīng)力和接觸間隙的云圖及典型時(shí)刻環(huán)向分布,圖9中CONTPRES指接觸面之間的壓力,正值是壓應(yīng)力,負(fù)值是拉應(yīng)力;CONTGAP指的是接觸面之間的分離距離,通常是負(fù)值,沒有分離則為0。

圖9 典型時(shí)刻鋼管和混凝土界面接觸拉應(yīng)力與接觸間隙梯度分布云圖及空間分布玫瑰圖Fig. 9 Gradient distribution nephogram and spatial distribution rosette of contact tensile stress and contact gap between steel tube and concrete at typical time

由圖9可知,日照輻射梯度溫度導(dǎo)致鋼管管壁與內(nèi)部混凝土之間存在拉應(yīng)力,具體而言:

1)鋼管-混凝土界面接觸應(yīng)力沿周向呈現(xiàn)不均勻分布特征,向陽側(cè)明顯大于背陽側(cè);在梯度溫差最大的15:00時(shí),鋼管-混凝土界面的接觸拉應(yīng)力最大達(dá)0.79 MPa,出現(xiàn)在拱頂偏南的位置,最小為0.47 MPa,出現(xiàn)在拱底與地面接觸的位置;鋼管-混凝土界面的接觸拉應(yīng)力隨時(shí)間的增長呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律,并且在最高溫度處拉應(yīng)力增長速度最快(增長值也最大),整個(gè)截面最大梯度應(yīng)力出現(xiàn)在梯度溫差最大處,即與水平面成67.5°的拱頂位置。

2)接觸間隙的分布規(guī)律與接觸拉應(yīng)力規(guī)律一致,即鋼管-混凝土界面的接觸間隙隨著2者間的接觸拉應(yīng)力的增大而增大;最大接觸間隙達(dá)0.809×10-3mm,出現(xiàn)在最大接觸拉應(yīng)力處,最小接觸間隙達(dá)0.482×10-3mm,出現(xiàn)在最小接觸拉應(yīng)力處。

3)從圖9(c)中可以看出,09:00—12:00時(shí)溫度升高較大,鋼管-混凝土界面接觸應(yīng)力增幅較大,最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置由150°方向的位置變化到67.5°的位置;而15:00—18:00時(shí)日照溫度逐漸減弱,界面接觸應(yīng)力明顯減小。

3.2 梯度溫度應(yīng)力時(shí)變規(guī)律

為說明鋼管-混凝土界面接觸應(yīng)力隨時(shí)間的變化規(guī)律,給出了全截面最大梯度溫度應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖10。

圖10 最大梯度溫度應(yīng)力時(shí)變曲線Fig. 10 Time-varying curve of the maximum gradient temperature stress

由圖10可知:從00:00—07:00,界面接觸應(yīng)力為壓應(yīng)力,量值在0.1 MPa左右;從08:00—20:00,界面接觸應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力,且隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢,最大拉應(yīng)力接近0.8 MPa,出現(xiàn)在14:00、15:00,在20:00時(shí)后界面接觸拉應(yīng)力又變?yōu)閴簯?yīng)力。可見在四川地區(qū)夏季日照輻射下,鋼管-混凝土界面接觸應(yīng)力在1 d的時(shí)間內(nèi)會出現(xiàn)接近1.0 MPa的周期性變化,且0.8 MPa的拉應(yīng)力達(dá)到平均粘結(jié)強(qiáng)度(0.4 MPa左右)的2.0倍,因此,設(shè)計(jì)和施工過程中應(yīng)該關(guān)注日照梯度溫度荷載導(dǎo)致的鋼管-混凝土界面接觸應(yīng)力,采用適當(dāng)方法使管內(nèi)混凝土產(chǎn)生超過0.8 MPa的膨脹壓應(yīng)力,避免管內(nèi)混凝土出現(xiàn)脫空現(xiàn)象[17]。

4 結(jié) 論

通過鋼管混凝土拱肋截面日照溫度場試驗(yàn)與有限元模型,針對整個(gè)截面梯度溫度及接觸應(yīng)力、間隙等效應(yīng)結(jié)果,建立梯度分布模式,進(jìn)行深入分析,主要結(jié)論如下:

1)管內(nèi)混凝土梯度溫差在1 d時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律,10:00時(shí)不同深度處的梯度溫差均開始快速上升,下午14:00、15:00時(shí)左右梯度溫差達(dá)到峰值隨后隨時(shí)間逐漸降低。

2)鋼管混凝土徑向梯度溫度計(jì)算模式采用分段函數(shù)。在沿徑向40 cm深度范圍內(nèi)采用指數(shù)分布,并且距鋼管外表面深度D每增加10 cm,特征參數(shù)增大約1;在40 cm以外,采用冪函數(shù)分布。

3)鋼管-混凝土界面的梯度溫度應(yīng)力空間分布模式呈現(xiàn)出沿周向分布不均勻的特征,并且向陽側(cè)明顯大于背陽側(cè);在時(shí)間上呈現(xiàn)極大的周期性,00:00—08:00界面表現(xiàn)為最大0.2 MPa的壓應(yīng)力,08:00—20:00界面為拉應(yīng)力,并在14:00、15:00達(dá)到最大0.8 MPa,超出鋼管管壁與混凝土之間的平均粘結(jié)強(qiáng)度近一倍。