混凝土箱形输水桥日照温度场及温度应力研究

毛松鹤

(泰山职业技术学院建筑工程系，山东泰安 271000)

混凝土箱形桥身在太阳照射下，其向阳的外表面温度变化较大，而背阳的外表面温度变化甚小，桥身的内表面与水流接触，内表面温度接近于水温，基本保持恒定，从而在结构中产生较大的温度梯度，即沿横截面高度方向及板厚方向各纤维层的温度是不同的。由于材料热胀冷缩的性质，势必产生温度变形，当变形受到结构内部纤维约束和超静定约束时，结构会在横向和纵向产生相当大的温度应力。混凝土箱形输水桥在内外温差模式的选取方面，各国规范的规定有所不同。如果温度梯度模式选用不当，即使增大温度设计值，也不能保证结构的抗裂性。输水桥与箱梁桥的温度边界条件有很大的不同，输水桥内为流动的水体，在夏季其水温明显低于日平均气温，因此输水桥身中的内外温差比普通箱梁桥的内外温差大很多。所以，箱梁桥温度场和温度应力的分析方法只能借鉴不能照搬［1-5］。笔者在总结国内外温度场研究和温度应力成果的基础上，根据箱形输水桥温度边界特点，通过有限元分析软件ANSYS对某箱形输水桥日照温度场和温度应力进行计算，给出了其温度场和温度应力的分布规律。

1 输水桥的热传导方程

输水桥一般为等截面结构，为了分析的方便可以近似的认为沿桥身长度方向的温度分布是均匀的，其温度沿桥身长度方向是常数，即∂T/∂z=0，温度场是两向的(平面问题)，这一假定已经被许多研究者所证实，因此本文取箱梁截面建立二维模型来进行温度场的分析，处于运行期的输水桥，其热传导方程为:

2 ANSYS计算模型的建立

利用ANSYS来进行南水北调某箱形输水桥二维平面温度场的瞬态分析，选用四边形单元来划分网格。四边形单元采用Plane13，这种单元是热—应力耦合单元，方便热与结构的耦合场分析计算。分析模型由1 146个单元和1 391个节点所组成。计算温度应力时，在原有平面模型的基础上，拉伸平面单元Plane13为实体单元Solid5。实体单元为等截面简支静定体系，输水桥长48 m，输水桥长度方向共分24个单元。ANSYS软件中，输水桥长度方向(纵向)为z轴，横截面在x—y平面，且横截面的高度方向(竖向)为y轴，宽度方向(横向)为x轴。把原平面单元上的线荷载转换成实体单元上的面荷载，即通过原温度场的平面单元建立如图1所示的温度应力实体单元。

图1 输水桥有限元模型

3 温度场计算结果

图2给出了中午14时箱形输水桥的温度等值线图。从计算结果可知，箱形输水桥的日照温差分布比较复杂，温度呈外高内低的趋势。从箱形输水桥的温度分布来看，顶板温度变化最剧烈，腹板次之，底板最小。温差成二次曲线分布。其温差二次曲线分布的拟合方程见表1。

图2 14时箱形桥身的温度分布（单位：℃）

表1 箱形桥身温差二次曲线分布的拟合方程

4 温度应力计算结果

简支箱形输水桥身的纵向温差应力，因没有纵向外约束，故只有纵向自约束应力。箱形桥身横向温差应力包含横向自约束应力和横向框架约束应力两部分。图3给出了顶板最大温差时刻Z方向的应力分布云图，此时顶板的上缘受压，最大压应力为－5.62 MPa，顶板的下缘受拉，最大拉应力为1.94 MPa。图4给出了顶板最大温差时刻X方向的应力分布云图，此时顶板的上缘受压，最大压应力为－4.62 MPa，顶板的下缘受拉，最大拉应力为2.94 MPa，已大于了混凝土的抗拉设计强度，在顶板下缘易形成纵向裂缝。图5给出了箱形桥身高度方向最大温差时刻Z方向的应力分布云图，箱形桥身上缘受压，最大压应力为－5.26 MPa，在腹板与顶板相交处(上角隅处)，Z方向会产生很大的拉应力，且拉应力值沿腹板高度向下逐渐减小，箱形桥身下缘为压应力。图6给出了沿西腹板厚度，最大温差时刻Z方向的应力分布云图，此时腹板外侧为压应力，最大压应力为－1.49 MPa，内侧为拉应力，最大拉应力为1.68 MPa。图7给出了沿西腹板厚度，最大温差时刻Y方向的应力分布云图，此时腹板外侧为压应力，最大压应力为 －2.72 MPa，内侧为拉应力，最大拉应力为1.35 MPa。图8给出了沿底板厚度，最大温差时刻Z方向的应力分布云图，此时底板外侧为压应力，最大压应力为－1.93 MPa，内侧为拉应力，最大拉应力为0.89 MPa。图9给出了沿底板厚度方向，最大温差时刻X方向的应力分布云图，此时底板外侧为压应力，最大压应力为－1.87 MPa，内侧为拉应力，最大拉应力为1.15 MPa。

图3 顶板Z方向应力变化图

图4 顶板X方向应力变化图

图5 腹板Z方向应力变化图

图6 西腹板Z方向应力变化图

图7 西腹板Y方向应力变化图

图8 底板Z方向应力变化图

图9 底板X方向应力变化图

5 结语

运用有限元分析理论，建立平面分析模型，借助有限元软件对输水桥日照温度作用效应进行有效的仿真模拟。温度场计算分析表明:箱形输水桥的日照温度分布比较复杂，呈现外高内低的趋势。从箱形桥身的温度分布来看，顶板温度变化最剧烈，腹板次之，底板最小。

温度应力计算分析表明:截面宽度方向最大拉应力出现在顶板下缘，截面高度方向最大拉应力出现在腹板内壁处，截面桥身长度方向最大拉应力出现在腹板内壁角隅处。由此可知:日照温差作用下混凝土箱形输水桥身内将产生可观的温度拉应力，其值已超过混凝土的抗拉设计强度。所以，在箱形输水桥结构设计中对日照温差作用下的温度应力必须予以重视，在设计中应配置适当的温度钢筋。

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