不同风速对双肢薄壁墩温度场的影响分析

朱丽杰

（河北保津高速公路有限公司，河北 保定071051）

不同风速对双肢薄壁墩温度场的影响分析

朱丽杰

（河北保津高速公路有限公司，河北 保定071051）

为了研究风速对双肢薄壁墩温度场的影响，选取洺水大桥105.09m的双肢等截面矩形空心墩为研究对象，利用A N SY S有限元软件分析了不同风速值状态下双肢墩的温度场。研究表明：风速值越大，墩壁内外表面的温差越小，所产生的应力也越小;风速值越小，墩壁内外表面的温差越大，所产生的应力也越大。因此，在设计上可以通过在墩壁上设置通风孔的方法，使内外壁板温差降低，从而减小温度应力，使桥墩产生裂缝的可能性降低，从而减少桥墩病害。

桥梁工程;双肢等截面矩形空心墩;风速;温度场;应力

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.025

1 工程概况

洺水大桥是连接邢台～冀晋省界段上的一座“80m+3× 150m+80m”预应力混凝土连续刚构桥，桥墩最高墩高为105.09m，地面标高一般为814.00～960.00m，由于桥墩很高,由大气边界层内风速廓线指数分布规律可以推知，高墩上部的风速将会明显增大，会导致作用在连续刚构桥上的静力、动力风荷载都很大。本文选取2013年8月某天作为计算时间，当天最高气温为34.5℃，最低气温为16.2℃，风速为3m/s。桥墩采用的是双肢等截面矩形薄壁空心墩，肢间净距为5m，单肢截面尺寸为7.5m×3.5m，壁厚为0.7m。在顺桥向壁板处，每个壁板布置4个温度应变计，进行现场实测，如图1所示。

图1 双肢薄壁空心墩温度场分布实测方案图

2 结构分析模型的建立

有限单元法在流体动力学（CFD）中的应用是20世纪80年代开始的。随着计算技术的提高和数值分析方法的不断改进，采用计算CFD方法解决桥梁风工程问题变得越来越具有工程适应性。本文利用大型有限元软件ANSYS对双肢等截面矩形空心墩进行温度场分析，由于空心墩材料为混凝土，它的导热性能低，且温度在其中的分布应按非线性考虑。根据大量的研究成果，在考虑温度分布的非线性时，可忽略温度沿墩身高度方向的变化，近似将矩形空心墩看做二维平面问题进行分析。

本文利用ANSYS模拟日照温度场时，首先用Table（载荷数组表）表示热流密度（集太阳辐射、热辐射及对流于一体），然后作为边界条件施加到双肢墩上。定义热流密度数时[1]，Tablt表中的数值取决于双肢墩表面的温度随时间的变化函数：

*DIM,fluxl,Table,ntime,ntemp,,Time,Temp

在不同时间下桥墩产生的表面温度作为边界条件，给定fluxl的数值。使用ANSYS命令中的SFE和SFL命令[2]，将边界条件施加在双肢墩表面。

采用ANSYS软件进行分析时，采用Beam189单元模拟桥墩，由于混凝土导热性能差的特点，使得它传热速度很慢，因此，在网格划分时，网格密度要大，网格的边长可取0.1～0.2m。网格划分及桥墩整体模型见图2和图3。

图2 矩形空心墩网格划分

图3 矩形空心墩有限元模型

3 不同风速下的双肢墩温度场分析结果

风速对结构表面的温度变化有着较大的影响，结构物表面温度随风速的增大而减小。较大的风速可以加快墩壁外侧的空气流动，使墩壁的温度值降低。所以这里分别取1m/s和3m/s两个风速值，对比不同风速值下桥墩温度场的变化。

计算桥墩的温差应力，必须首先确定温度场(包括温度梯度模式和温度取值大小)。实测资料分析表明，温度沿桥墩高度方向的分布总是很接近的，工程上可以忽略温度沿墩高方向的微小变化。由于高墩一般都是变截面，而且截面变化较大，所以选取沿墩高方向尽可能多的截面作平面热分析，然后将这些截面的温度场转化为温度荷载施加到空间结构上，最大限度地考虑日照温差对空心高墩的影响。本文仅考虑墩身处于悬臂状态，这里只取距墩顶5m处的截面作为研究对象，计算分析其在下午17：00时刻不同风速对温差应力和变形的影响，计算分析结果见表1。

表1 距墩顶5m处截面的日照温差应力计算值对比

通过计算分析可得出以下结论：

1)风速为1m/s时，空心墩等效应力最大值为6.46MPa，径向应力以外侧壁板受压而内侧壁板受拉为主，最大压应力出现在南侧壁板外侧一点为6.46MPa，最大拉应力出现在东南侧内侧壁板的角隅处一点为3.10MPa。风速为3m/s时的应力分布规律与1m/s时的应力分布规律相同，只不过应力值有所变化：最大等效应力为6.27MPa；径向压应力最大为6.27 MPa，拉应力最大为3.21MPa。

2)在悬臂状态下，两种风速情况下的墩身位移最大值均出现在墩顶，且由墩顶至墩根部，结构的变形值逐渐减小为0。当风速为1m/s时，矩形空心墩的平动位移最大值为6.0745 cm，最大扭转位移为3.892＇；当风速为3m/s时，矩形空心墩结构的最大平动位移为5.6784cm，最大扭转变形为3.623＇。

3)研究薄壁空心高墩温度效应的关键在于确定一个符合实际情况的温度场，然后根据最不利温度分布进行结构力学分析[3]。在研究无云、无风状态下日辐射对混凝土结构表面温度的影响时，将风速限定在-个较小数值，分析混凝土结构物表面附近的温度状况是合适的。

4 结论

1)利用ANSYS有限元软件二次开发成果分析计算双肢薄壁墩连续刚构桥桥墩的温度场，具有准确、方便、快捷的优点，具有较高的实用价值。

2)风速越大，外侧壁板的温度越低，相对于内侧壁板的温差就越小，产生的温差应力也就越小。

3)风速越大，矩形空心墩温度效应产生的平动位移越小，扭转位移越小。

4)可以通过在墩壁上设置通风孔，降低内外侧壁板的温差，从而最大限度地减少桥墩裂缝以及墩身病害发生的可能性。(1):52-54.

【3】叶征伟,项贻强.高墩连续刚构桥双悬臂状态等效风荷载的简化计算[J].中国公路学报,2011(4):63-69.

【1】葛俊颖,丁啸宇,张耀东.预应力混凝土箱梁桥日照温度效应计算软件的编制[J].公路,2010(3):82-86.

【2】葛俊颖.预应力混凝土箱梁日照温差效应分析[J].中国铁路，2010

Double Limb Thin-walledPier Temperature Field Under Different WindSpeedImpact Analysis

ZHU Li-jie
(Hebei Baojin HighwayCo.Ltd.,Baoding 071051,China)

In order to study double limb thin-walled pier temperature field under differentwind speed, selectMing-shui bridge 105.09mdouble limb of the cross-section of rectangular hollow pier as the research object, using ANSYS finite element software analysis underdifferentwind speed value double limb temperature field of the pier.Research shows that: The greater thewind speed value, the pier on thesurfaceofthewallinsideandoutsidetemperaturedifferenceissmaller,thesmallerthestress;Thesmallerthewind speed value the pier on thesurfaceofthewallinsideandoutsidetemperaturedifferenceisbigger,thebiggerthestress。Therefore,inthedesigncanbesetbythepierwallventmethod, lower the temperature difference between inside and outside thewall, so as to reduce temperature stress, reduce the possibilityofcrackonthebridgepier,thusreducingpierdiseases.

bridgeengineering;double-walledwithconstantsectionrectangularhollowpiers;windspeed;temperaturefield;stress

U443.22

A

1007-9467（2016）09-0096-02

2016-05-31

朱丽杰（1973～），女，河北唐山人，高级工程师，从事高速公路道路与桥梁工程管理与研究，（电子信箱）543800337@qq. com。