温度效应作用下混凝土桥墩应力的影响研究



温度效应作用下混凝土桥墩应力的影响研究

孙亭亭1，祝向群1，马锋2，胡澎涛3

摘要：桥梁设计中的桥墩一般是空心薄壁结构，由于自然界中诸多温度效应的影响，使得桥墩中混凝土的应力分布有所不同，从而导致在混凝土施工时的水化热不同。采用有限元模型分析不同温度下混凝土应力的分布情况，探寻在不同温度下墩身应力的分布规律，包括冬季施工时的5 ℃和夏季施工时的40 ℃，为合理设计墩身结构和降低水化热提供依据。

关键词：温度效应;有限元;混凝土;水化热

随着交通事业的发展，越来越多的桥梁建设在黄土高原丘陵沟壑区。空心薄壁高墩的桥墩设计在诸多结构设计中有其显著的优越性。但由于受到太阳辐射、气温变化等因素的影响，薄壁高墩内部会产生非线性变化的温度分布[1]，从而产生很大的温度应力[2]。温度应力对桥梁结构造成的危害，已经越来越被工程界所重视[3-5]。

1工程背景

某大桥桥墩立面如图1所示。该大桥的技术指标如下：

(1)公路等级：1级公路。

(2)设计行车速度：60 km/h。

(3)桥面宽度：2×(0.5 m防撞墙+10.25 m行车道+0.5 m防撞墙)+0.5 m=23.00 m。

(4)荷载：①设计荷载：公路—I级；②地震烈度：地震基本烈度7度。

大桥桥宽为2×(0.5+10.25+0.5)+0.5=23.00 m，分离式断面。桥梁上部：先简支后连续T梁，采用4孔、3孔一联，主梁高2.5 m，1孔共用5片主梁(半幅)。桥梁跨径组成：25×40(预制T梁)=1 000 m。

大桥桥墩为柱式墩和单支空心薄壁墩。空心薄壁墩承台厚3.0 m，每座承台配4棵桩基础，桩基直径2.0 m，大桥桩基长度34～40 m。本文主要分析左幅12#墩。

大桥所在地气候特点为冬长夏短，寒冷干燥，风多雨少，年平均气温7.5 ℃，1月平均气温-11.5 ℃，极端最高气温37.1 ℃。年日均气温5 ℃以上的持续天数为198 d，日均气温0 ℃以上的持续天数为232 d，全年平均日照2 900 h，无霜期平均为135 d左右。

2温度效应理论分析

工程结构中计算温度荷载的方法是按照时间变化函数确定的。在分析研究工程结构的温度荷载时需运用各种不同的计算方法，来判断工程结构在某一特定时间和特点条件下的温度分布。

2.1　从时间坐标分

①非稳态温度场：温度变化和时间有关，t=f(x,y,z,τ)。在非稳态温度场中发生的导热。

②稳态温度场：温度分布与时间无关，即稳态导热：发生于稳态温度场中的导热。

图1　大桥12#(52 m)墩立面图Fig.1　The elevation view of the bridge 12#(52 m)

(1)

图2　等温线Fig.2　The isotherm

2.2　从空间坐标分

三维温度场：温度与3个坐标有关的温度场，

(2)

二维温度场：温度与2个坐标有关的温度场，

(3)

一维温度场：温度只与1个坐标有关的温度场，

(4)

3有限元软件分析

采用有限元软件MIDAS/CIVIL对高墩由温度荷载作用产生的影响进行建模分析。由于实际墩身具有对称性，所以只需取1/4墩身进行建模和分析，这样不仅可以提高建模速度、缩短分析时间，而且也便于查看内部温度分布以及应力发生状况。为了考虑徐变、收缩以及混凝土抗压强度(弹性模量)的变化，定义时间依存性材料特性：墩身混凝土为C30，按照JTG04(RC)规范计算；材料类型定义为各向同性材料。热特性值：比热容0.25 J/(kg·k)，混凝土容重25 kN/m3，热传导率2.3 W/(m·k)，对流系数外表面12 W/(m2·k)。对浇筑混凝土后1 000 h的墩身进行水化热分析，研究不同温度下的受力分布和变形情况，不考虑管冷的效果。

整体模型共建立1 936个节点，1 500个实体单元；二分之一模型共建立1 663个节点，750个实体单元；四分之一模型共建立663个节点，375个实体单元，模型如图3所示。利用有限元软件对模型进行分析，分别考虑外部环境温度为5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃时墩身水化热的分布情况，其中最低温度5 ℃与最高温度40 ℃时模型墩身与整体墩身应力云图分别如图4～图7所示，5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃时墩身整体分布温度见表1，分布规律如图8所示。

图3　有限元整体、1/2和1/4模型Fig.3　The overall，one half，one quarter of the finite element model

图4　5 ℃下模型墩身温度分布Fig.4　The temperature distribution of pier body under 5 ℃

图5　40 ℃下模型墩身温度分布Fig.5　The temperature distribution of pier body under 40 ℃

图6　5 ℃下整体墩身温度分布Fig.6　The temperature distribution of overall pier body under 5 ℃

图7　40 ℃下整体墩身温度分布Fig.7　The temperature distribution of overall pier body under 40 ℃

由表1可知，在墩身水化热的影响下，在5 ℃下墩身表面最高温度为6.3 ℃，墩身内最高温度为14.7 ℃；在10 ℃下墩身表面最高温度为11.3 ℃，墩身内最高温度为19.7 ℃；在20 ℃下墩身表面最高温度为21.3 ℃，墩身内最高温度为29.7 ℃；在30 ℃下墩身表面最高温度为24 ℃，墩身内最高温度为38.4 ℃；在40 ℃下墩身表面最高温度为27 ℃，墩身内最高温度为47.8 ℃。

图8　不同温度效应作用下墩身温度变化Fig.8　Pier body temperature distribution under different temperature effect

4结论

由有限元分析结果：当外界环境温度最低在5 ℃时，混凝土墩身外表面最高温度为6.3 ℃，从应力云图可以看出温度梯度分布由外表面至混凝土中心，温度不断增加；当外界环境温度最高在40 ℃时，混凝土墩身外表面最高温度为27 ℃，中心最高温度为47.8 ℃，外表面与外界环境直接接触，温度降低明显，并趋于环境温度。由图8可知，在不同外部温度下墩身混凝土外表面和墩身中心温度的分布基本趋于均匀变化；不同的环境温度对浇筑时混凝土墩身的温度有显著影响，适当降低混凝土入模温度可以有效控制水化热，对于工程实践具有重要指导意义。

参考文献：

[1] 李海鹏.预应力混凝土箱梁温度效应研究[D].西安：长安大学,2013.

[2] 周妞妞，张运波.薄壁空心高墩温度效应仿真分析[J].石家庄铁道大学学报,2013，26(4):27-31.

[3] 陈勇.铁路空心高墩温度场及温度效应研究[D].重庆：重庆大学,2014.

[4] 陈波，孙玉周，郭伟华.钢筋混凝土板动力特性的时变温度效应实验研究[J].西南交通大学学报，2014,41(1):66-71.

[5] 丁伟.曲线箱梁桥温度效应研究[D].郑州：郑州大学,2013,6:40-44.

Influence Study of Concrete Piers Stress under the

Temperature Effect

SUN Tingting1, ZHU Xiangqun1, MA Feng2, HU Pengtao3

Abstract：The piers in bridge design are generally hollow thin-walled structures. Due to the influence of many temperature effects in nature the stress distribution of concrete piers is different. Thus hydration heat is different in the process of concrete construction. This paper uses the finite element model to analyze the distribution of the concrete effects under different temperature stress and explores the distribution law of pier body stress at different temperatures, including 5 ℃ construction in winter and 40 ℃construction in summer. Thus provide the basis for the rational design of the pier body structure form and site construction to reduce the heat of hydration.

Keywords：temperature effect; Finite Element; Concrete; Heat of hydration

(责任编辑：李华云)

作者简介：孙亭亭(1986-)，男，江苏丰县人，硕士，主要研究方向为工程力学。

基金项目：中央财政建筑技术实训基地项目(34113042613)；安徽省教育厅、财政厅省级示范实验实训中心项目(20101474)

收稿日期：2014-10-05

中图分类号：U441.5

文献标识码：A

文章编号：1671-5322(2015)01-0070-05

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201501016