西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析.pdf

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西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析1 西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析2 西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析3 西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析4 西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析5
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・桥涵工程・西非地区点支承异形板桥的梯度温度效应分析杨贤康(中国土木工程集团有限公司北京100038)摘要以西非地区某高速公路项目中一点支承异形板桥为工程背景,根据该建设项目的实际地理位置和气候特点等建立了日照温度场数值模型,并依此提出了适用于该项目的温度梯度计算曲线;通过3种不同的温度梯度计算模式(分别为中国公路桥规、英国桥规中的温度梯度计算曲线和通过日照温度场模拟得到的温度梯度计算曲线)对该桥梁进行了梯度温度效应分析,结果表明当温度梯度计算曲线选择不当时,计算结果将导致较大的偏差;通过全桥空间有限元分析,对该桥梁各荷栽工况的内力结果进行了比较,结果表明梯度温度引起的荷栽效应远远大于其他活载引起的荷载效应。关键词现浇异形板英国桥规温度场板柱固结梯度温度中图分类号U441.5文献标识码A——文章编号10094539(2016)Ol一003005AnalysisofGradientTemperatureEffectforSpecial-shapedSlabBridgesinWestMricaYangXiankang(ChinaCivilEngineeringConstructionCorporation,Beijing100038,China)AbstractTakingapoint-supportedspecial-shapedslabbridgeina11.expresswayprojectofWestAfricaas鲫engineeringbackground,thenumericalmodelofsunshinetemperaturefieldwasestabhshedaccordingtotheactualgeographicallocationandclimatecharacteristicsoftheproject.andthenthegradienttemperaturecurveforthisprojectWasobtained.Thegradi-enttemperatureeffectforthebridgeWasanalyzedbasedonthreekindsofdifferentgradienttemperaturemodels(thegradi-enttemperaturecalculatedcurveswererespectivelyfromtheBridgeRegulationsofChinaandBritain,andsunshinetemper-aturefieldsimulation).Thecalculationresultsshowedthatinappropriatechoiceofgradienttemperaturecalculationcurvemightleadtoaratherbigdeviation.Thecalculatingresultsofinternalforcesundereachloadconditionwerecomparedbytheanalysisofspatialfiniteelementmodelofthebridge.TheresultsillustratedthattheloadingeffectcausedbygradienttemperatureWasmuchlargerthantheloadingeffectscausedbyotherliveloads.Keywordscast・-in-・placespecial・-shapedslab;BridgeRegulationofBritain;temperaturefield;consolidationofslab・-col・-umn;gradienttemperature桥梁结构曝露在自然环境中,温度荷载的作用往往不可忽视,尤其是对温度比较敏感的多次超静定结构,因温度梯度而引起的荷载效应有时甚至会超过车辆荷载而成为主要活载,因此,对此类结构进行温度梯度效应分析是极为重要的,为了保证计算分析的合——收稿日期:20151021基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目(12一(301)理性,首先要确定合理的温度梯度计算模式。本文以西非地区拉各斯至巴达格瑞高速公路项目中某互通立交为工程背景展开研究,对中英两国规范中关于桥梁梯度温度的计算模式进行了比较;同时,基于该地区的地理位置和实际气候特点进行了日照温度场数值模拟,进而确定了符合该项目实际情况的温度梯度计算曲线。另外,通过对其铁道建篱技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016fD7J万方数据・桥涵工程・中一点支承异形板桥的全桥受力分析,验证了梯度温度效应对该类桥梁受力的显著影响。1基本原理1.1日照温度场的数值模型混凝土结构与外界进行热交换的过程十分复杂,影响因素也众多,难以精确地对其在理论上进行求解。有研究表明,分析混凝土结构的不均匀温度场时,主要考虑太阳辐射换热、热辐射换热和对…流换热3种方式。根据傅里叶定律,结构边界上的这些热交换方式可用下式旧1表示:”¨铲一后(誊。+务,)(1)q。=h。(瓦一L)(2)’9,=CsE[(r+咒)4一(丁++t)4](3)g。=0c,。(4)式中,q。为对流换热热流密度;q,为热辐射换热热流密度;g。为太阳辐射换热热流密度;k为导热系数;譬,譬为温度梯度在直角坐标x,y的分量;n。,几,o^oy为法线的方向余弦。h。为对流热交换系数;L为空气温度;t为混凝土表面的温度。C。为斯蒂芬一波尔兹曼常数;s为结构表面的长波发射率;T+为常‘数273.15。a为太阳辐射吸收率;为太阳直接辐射、太阳散射和地面反射强度的总和。”为了工程方便,将式(3)写成以下形式口2。33:—g,=h,(tt)(5)‘h,=CsF,[(r++L)2+(r+t)2].’(t+t+2T)(6)将上述三项热流密度转换成热传导第三类边界条件,则结构表面流人的热流密度为:q,=h(巧一rs)(7)式中,h=h,+h。,为综合热交换系数;巧=}+咒,为等效空气温度,表示实际空气温度和辐射作用引起的当量气温之和。1.2温度应力的计算原理H1如图1所示,日照温度沿截面按任意曲线T(Y)分布,假设梁截面变形服从平截面假定,则截面纵向纤维之间自约束变形产生的约束应力为:or:(Y)=E[aT(y)一(占o+p,)](8)式中,a为材料线膨胀系数;占。为截面底部的变形量;9,为截面挠曲变形曲率。奸帚刊『/专F芒j11I南lJ1.HI…’fh/训l\If』』-上I\厶厂“i图1日照温差变形示意根据力等效原理,综合考虑温度外约束应力和温度内约束应力,截面总温度应力为:’M盯。(Y)=E[aT(y)一(岛+妒,)]+书(9)J式中,M:为温度次力矩。2中英两国规范温度梯度计算曲线2.1中国公路桥规的温度梯度曲线Ⅱ根据我国《公路桥涵设计通用规范》(GD60—2004)第4.3.10条规定MJ,计算桥梁结构由于梯度温度引起的效应时,可采用图2所示的竖向温度梯度曲线,温度取值见表1。对混凝土结构,当梁高H小于400mm时,A=日一100(mm),当梁高日大于400mm时,A=300mill。竖向13照反温差数值为正温差数值的0.5倍。表1中国公路桥规竖向日照正温差温度基数℃桥面铺装类型TlT2混凝土铺装256.750mm沥青混凝土铺装206.7100mm沥青混凝土铺装145.52.2英国桥规的温度梯度曲线桥面铺装层厚度为10cm时,狂『图2中国公路桥规竖向梯度温度(单位:mm)释溉叫要润型铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(oi131万方数据桥涵工程・表2英国桥规竖向日照正温差温度基数h,11"1TI/。CT2/。C℃T3/≤0.28.53.50.50.412.O3.O1.5O.613.03.O2.O≥O.813.53.02.5表3英国桥规竖向日照负温差温度基数∥7mTl/。C℃T2/T3PCT4/。C≤0.22.00.5O.51.50.44.51.41.03.5O.66.51.81.55.OO.87.61.71.56.O1.O8.O1.51.56.3≥1.58.4O.51.06.53工程概况该建设项目中某互通立交枢纽南侧部分为一点支承异形板桥,如图4所示,异形板通过端部牛腿分别与20m、16m简支梁桥相连,简支梁桥的宽度分别为9.3m、12.5m,圆弧段板体标准宽度为13.0m,内弧半径为14m。桥梁上部结构为整体现浇实心板,板厚lm,桥面铺装采用5cm厚沥青混凝土;桥梁下部结构采用直径lm的实心墩,墩柱与上部现浇板直接固结。桥梁跨径为5.5~12.5m,全桥共设置墩柱25个。图4异形板桥结构布置(单位:cm)4日照温度场模拟4.1计算参数及模型材料的物理热学性能及计算参数见表4。表4计算参数参数数值沥青密度/(kg・m。)2100比热/[J・(kg・oC)。1]960混凝土℃导热系数/[kJ・(nl・)。1]3.96密度/(kg・m一3)2500混凝土℃比热/[J・(kg・)一]929导热系数/[kJ・(In・oC)。1]8.8l32铁道建筑技术续表4参数数值纬度6。35”720N经度’301935伍吸收率0.85辐射率O.6大气透明度系数0.6日序N70表5。不同时刻桥梁顶板太阳辐射强度总和,t见表5太阳辐射强度总和^时间7:008:009:0010:0011:0012:00,f/(W・m一2)163536753869929952时间13:0014:0015:0016:oo17:0018:00l/(W・m一2)94390281464934618一般来说,热辐射换热系数h,为(瓦一t)的函数,这两个数值均随时间而变化,故该系数在理论上是瞬态的,而根据文献[3]41。42,h,变化的幅度并不大,因此假定各时刻的h,保持不变是能够满足工程精度要求的;另外,对于对流换热系数h。,不少研究均认为其值可以表示为风速的的线性函数¨。81,为了简化计算,本文在计算时将综合换热系数h根据文献[9]统一取值为69.23kJ/(m2・h・K)。4.2计算结果各时刻结构顶面至0.4In深度竖向各点的温差值见表6。表6现浇板各时葜竖向温差值℃\竖向\婚度/mOO.05O.1O.150.20.25O.30.35O.4\时间\9:003.1O.8O.OO.OO.OO.1O.2O.1O.010:006.73.31.40.60.30.20.20.1O.O11:009.95.73.11.60.90.50.3O.2O.O12:0012.47.94.82.81.60.9O.5O.2O.013:0014.49.86.44.O2.41.4O.70.3O.O14:0015.811.37.75.13.21.91.00.4O.O15:0016.412.38.86.03.92.41.3O.50.O16:0016.112.79.46.74.52.81.6O.70.017:0014.512.39.67.14.93.21.8O.80.018:00“.510.99.27.15.13.42.O0.90.0由表6可知,在日照影响下,桥梁现浇板产生温RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016f07J万方数据・桥涵工程・差的区域主要为板体表面以下约0.4m范围内,这与相关规范定义的温度梯度计算曲线中的温差影响范围是一致的;沥青混凝土铺装层表面温度达到最大值时,板体温差并非达到最大,最大温差值出—现在15:0016:00左右,体现了混凝土材料的热惰性。5梯度温度效应分析5.1计算模型该桥梁上部结构为现浇异形板,圆弧段板体半径极小,采用平面结构计算将导致较大的偏差。文献[10]中,桥梁半径远大于该桥,可计算结果表明平面模型与空间模型已然存在一定的误差。而对于该桥,内弧半径只有14m,若采用平面模型计算,误差将会更大。因此,对该桥梁进行全桥受力分析时,上部异形现浇板采用板单元模拟,下部墩柱采用梁单元模拟,结构有限元模型如图5所示。图5全桥空间有限元模型5.23种计算模式的梯度温度效应分析以该桥梁最大跨跨中位置单位宽度板体正截面弯矩为研究对象,对图6所示3种温度梯度计算模式进行荷载效应分析,3种计算模式的内力计算结果如表7所示。图6中,计算模式1为中国桥规温度梯度计算曲线;计算模式2为英国桥规温度梯度计算曲线;计算模式3为通过日照温度场模拟得到的温度梯度计算曲线。‘℃’矿翥严8蓼歹。毽k钆I表7梯度温度效应计算结果比较弯矩/[(kN・m)・m。1]位置模式1模式2模式3内弧处451.1386.9425.4中心处315.3270.5297.2外弧处462.9397.2436.3由表7数据可知,根据3种不同计算模式计算得到的内力结果有一定的差别,其中模式1与模式2的差别更大,两者差值百分比为16.6%,模式l和模式3的计算结果较为接近,两者差值百分比为6.0%。5.3梯度温度效应与其他荷载工况的比较该桥梁最大跨跨中位置单位宽度板体在各荷载工况下的截面最大正弯矩计算结果如表8所示。荷载工况中墩柱不均匀沉降值根据本桥的具体情—况对比文献[1112]相关参数取值,圆弧段沉降量取为一3mm,直线段沉降量取为一2mm。表8各工况弯矩计算结果比较‘弯矩/[(kN・m)・m1]荷载工况内弧侧中心处外弧侧恒载278.7250.3323.6移动荷载122.3144.2127.0梯度升温4JD5.1283.0415.5梯度降温一202.6—141.5—207.8不均匀沉降156.2197.1106.2整体升温一4.6—6.4—3.O整体降温4.66.43.0正弯矩合计967.0881.O975.3梯度温度所占百分比41.9%32.1%42.6%由表8数据可知,在计算截面处该桥梁梯度温度所产生的荷载效应远大于移动荷载效应,梯度正温差产生的效应甚至超过了恒载而成为该位置结构设计的控制性因素,在所有荷载所产生的正弯矩和值中,超过1/3来自于梯度升温的作用。6结论(1)根据拉各斯地区的地理位置、气候特点及日照相关参数建立了混凝土实心板的日照温度场数值模型,总结了日照下实心板结构的温度场分布规律并得到了适用于该桥梁的温度梯度计算曲线。(2)通过日照温度场的仿真分析可知,沥青混凝土铺装层对降低结构温差具有一定的帮助,从文铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(01)万方数据・桥涵工程・献[5]和文献[13]的相关规定也可知,铺装层的厚度也是影响温差值的重要因素之一。(3)对3种不同的温度梯度计算曲线进行了荷载效应分析,结果表明直接采用英国桥规计算该桥梁的梯度温度效应时,结果可能会偏小,而采用中国公路桥规计算时计算结果则可能会偏大。(4)对于点支承异形板桥,温度梯度引起的荷载效应远远大于其他活载工况,尤其是梯度正温差,甚至可能会超过恒载,可见此类桥梁的梯度温度效应应当引起设计人员的充分重视。参考文献[1]王浩.混凝土空心桥墩的日照温度场及其效应研究—[D].重庆:重庆大学,2012:2327.[2]张玉平,杨宁,李传习.无铺装层钢箱梁日照温度场分—析[J].工程力学,2011,28(6):156162.[3]徐帅.日照下混凝土箱梁的温度场研究[D].北京:北京交通大学,2008.[4]吕婷,刘静,葛胜锦.混凝土梁桥的温度应力分析及梯—度选择[J].中外公路,2009,29(3):337343.[5]中交公路规划设计院.JTG—D602004公路桥涵设计—通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004:3435.[6]Britishstandards—institution.Bs5400:Part2:19781982,Steel,concreteandcomposite¨dges(Part2.Specificationforloads)[S].BritishStandard—Institute,19781982.[7]陈仕周,倪小军.桥面铺装与路面温度差异研究[J].—中国公路学报,2005,18(2):5760.[8]逯彦秋,张肖宁,王圣保.钢箱梁桥沥青混凝土铺装层温度场的模拟分析[J].沈阳建筑大学学报,2006,22—(5):750754.[9]向敏,王新敏.箱形梁混凝土热物理参数反分析试验研究[J].石家庄铁道学院学报,2003,16(1):5l一54.[10]薛宇光.铁路小半径曲线连续梁桥设计研究[J].铁道建筑技术,2014(6):l一4.[11]敬亚菱.M立交H匝道桥设计简析[J].铁道建筑技—术,2014(1):1l16.[12]刘慕清.北京西直门内部环路点支承异性弯板桥设计—[J].城市道桥与防洪,2005,2(3):4449.[13]NCHRP.LRFDSl-3,AASHTOLRFDBridgedesignspecifications[S].AmericanAssociationofStateHiglIandTransportation—Officials.2004:9698.●—-+一+一+一+一+-+"-4--+一+一+一+一+一+一+一+----+-+-+'--4----卜一+一+一+(上接第19页)(2)外腹板预应力钢束Nl、N2和N3为空间的平弯和竖弯,对外腹板有向平面外的张力,容易造成外腹板开裂,在边腹板端部应加密普通钢筋防止开裂,并进一步优化钢束和简化外腹板造型旧。1引。(3)本梁为分段二次浇筑,由于梁体截面较薄,两次浇筑新旧混凝土结合部位较弱,对梁体受力不利,建议改为一次浇筑完成。(4)中支点部位混凝土圬工量大、钢筋较密,且梁体采用掺加聚丙烯纤维网的C60混凝土,和易性较差,混凝土很难振捣密实,建议中支点部位通过…增大钢筋型号来增大钢筋间距。12。。(5)温度变化对梁部影响较大,施工时尽量按照设计提供的合龙温度进行施工¨引。参考文献[1]韩江龙,吴定俊,李奇.板厚和加肋对槽型梁结构噪声—的影响[J].振动工程学报,2012(5):590594.[2]张吉,陆元春.槽形梁结构在轨道交通中的应用与发—展[J].铁道标准设计,2013(10):7883.[3]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出34铁道建筑技术—版社,2002:287291.[4]中华人民共和国铁道部.TB—10002.32005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[s].北—京:中国铁道出版社,2005:89.[5]黄侨,陈卓异,杨明.槽型梁桥力学性能的研究现状与—展望[J].中外公路,2013(6):131135.[6]谷守法.组合拼装式托架在双肢连续钢构桥O撑块中的—应用[J].铁道建筑技术,2015(s1):9496.[7]任国辉.客运专线32m跨单箱双线造桥机节段拼装法—施工[J].铁道建筑技术,2012(6):4344.[8]张立青.铁路节段预制胶接拼装法建造桥梁技术与应—用[J].铁道建筑技术,2015(1):811.[9]国麦丰,徐元虎.浅析大宽度连续梁施工[J].交通科—技,2013(S1):1920.[10]彭元诚.连续刚构箱梁底板崩裂原因分析与对策[J].—桥梁建设,2008(3):6970.[11]岳清瑞,陈小兵,牟宏远.碳纤维材料(CFRP)加固修补混凝土结构新技术[J].工业建筑,1998(11):1-5.[12]周光辉,马卫群.FRP片材加固钢筋混凝土连续梁试验研究[J].湖南城市学院学报:自然科学版,2004—(3):46.[13]吴讯,张鹏.轨道交通u形梁温度模式研究[J].山西—建筑,2008(32):2829.RAfLl,吼yCONS丁开UC丁fO^』丁£_cf_f ̄0f0Gy2016(olJ万方数据
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