斜拉桥钢混桥塔温度效应分析

杨吉新　程旭东　刘前瑞　刘　杰

(武汉理工大学交通学院1)　武汉　430063)　(中国市政工程中南设计研究总院有限公司2)　杭州　310009) (中国交通建设股份有限公司3)　北京　10088)

斜拉桥钢混桥塔温度效应分析

杨吉新1)程旭东1)刘前瑞1，2)刘杰1，3)

(武汉理工大学交通学院1)武汉430063)(中国市政工程中南设计研究总院有限公司2)杭州310009) (中国交通建设股份有限公司3)北京10088)

摘要：结合一斜拉桥钢混桥塔的施工，应用有限元方法，分析桥塔在初始温度一定，外界气温骤然降温时，整个桥塔内钢板和混凝土的温度场分布情况，以及在温度作用下桥塔内产生的温度应力与变形.计算表明，在外界温度突然降温的情况下，桥塔的桥轴方向会形成较大的温度梯度；桥塔的顺桥方向，在钢混结合段处的钢板外表面及其被混凝土包围的内腹板中会出现较大压应力；桥塔的竖向方向，桥塔上段钢箱段和混凝土段的外表面会出现拉应力，承压板顶面会形成最不利的拉应力，而在钢混结合段处，外表面会出现压应力.

关键词：桥塔；钢混结合；温度场；温度效应；数值分析

0引言

斜拉桥钢混桥塔主要由钢板和混凝土组成，由于钢板与混凝土为2种不同材料，其与空气的综合传热系数[1-3]、导热系数、弹性模量，以及线膨胀系数等材料性质均不同，当桥塔外部大气温度发生变化时，在桥塔内部会形成不同的温度场，产生较大的温度应力和变形.这种钢混桥塔的温度场及温度效应的研究尚不多，本文结合广东肇庆市阅江大桥的施工，对桥塔施工时的温度效应进行探讨.

1工程概况

1.1钢塔构造

该桥为双塔双平行索面斜拉桥，桥塔总高度83.8 m，采用钢-混组合结构，其中钢塔段长度56.18 m，混凝土塔段长度27.62 m；每个桥塔两侧各有24对斜拉索，斜拉索通过钢锚箱锚固于桥塔内部；每个桥塔纵桥向分别由2个塔肢和位于塔肢之间的12根横梁焊接而成，桥塔见图1.

单个塔肢纵桥向呈圆曲线布置，塔肢断面为单箱单室结构，纵桥向宽3.6 m，横桥向宽4.0 m，由外壁板、2道内腹板和纵向加劲肋组成，钢塔截面见图2.

横梁断面为矩形结构，高1.4 m、宽1.2 m，由水平板、竖板和竖板纵向加劲肋组成，见图3.

图1 桥塔整体图(单位:cm)图2 钢塔截面图(单位:cm)图3 横系梁截面图(单位:cm)

1.2钢塔段与混凝土塔段连接

钢塔段的竖向压力主要通过钢-混结合面处的承压板传递到混凝土塔段中，而钢-混结合面处的纵、横桥向弯矩(施工及运营状态)则需要通过预应力钢束传递到混凝土塔段中.钢混结合段处钢板是外包混凝土，同时混凝土内有2道内腹板，见图4.

图4　钢混结合段图(单位：cm)

2有限元数值分析

2.1计算的基本假定

1) 不考虑综合换热系数在桥塔各表面的差异.

2) 不考虑桥塔内普通钢筋和预应力钢束对温度场分布和温度效应的影响.

3) 假定钢板和混凝土的物理参数属性不随温度变化.

2.2材料参数

桥塔的材料是由C60混凝土和Q345qD钢板组成，它们的物理性参数包括弹性模量、导热系数和比热容等，本文取的参数值见表1[4-6].

表1　材料物理参数

2.3ANSYS建模

本文只对全桥施工阶段的钢混桥塔进行温度效应分析，建立桥面以上的桥塔三维模型，由于斜拉桥为梁塔墩固结体系，主梁0号块的刚度很大，以桥塔根部截面所有节点的边界条件当作固结处理.至于对成桥后的斜拉桥，由于斜拉索都锚固在桥塔上，索力以及索对塔的约束都对桥塔的受力产生非常大的影响，需另文进行分析.

ANSYS建模，对于三维有限元模型温度场的热分析，先从CAD中导入ANSYS的桥塔几何模型，采用SOLID70单元，该单元具有8个节点，每节点只有一个温度自由度，是六面体单元，输入材料的参数.然后通过多次网格划分进行比较，在满足精度的条件下，得到该桥塔有限元模型由1 690 395个单元和408 503个节点组成.整体桥塔单元划分后的有限元模型见图5.X为主梁顺桥方向，Y为主梁横桥方向，Z为桥塔桥轴方向.

图5　桥塔有限元模型

本文钢混桥塔的温度场模型属于瞬态热分析.在进行温度场的热分析求解以前，要给出桥塔的初始温度条件.在ANSYS热分析中有两种方式可以定义结构的初始温度，如果结构的初始温度场是未知的，则必须先用稳态热分析来确定初始边界条件；如果结构的初始温度场是已知的，可以通过用命令D来设置初始均匀温度或通过IC来设定节点初始温度.本文模型采用IC命令，定义桥塔内混凝土和钢板所有节点的初始温度为25 ℃.

进行完热分析后，要进行单元类型的转换，ANSYS程序自动将其转为SOLID185单元进行结构应力计算，得出桥塔仅在温度作用下的结构应力.

3骤然降温时桥塔的温度场分布及温度效应

3.1温度场分析

对于钢混结合的桥塔，假设桥塔内部初始温度与大气温度一致为25 ℃，当外界骤然降温时，外界大气温度场突降10 ℃即变为15 ℃，此时桥塔与外界大气温度场进行热交换.得到1，5，10 h后桥塔内部的温度场分别见图6～11.

图6　3 600 s桥塔整体的温度场

图7　3 600 s混凝土内的温度场

图8　18 000 s桥塔整体的温度场

图9　18 000 s混凝土内的温度场

图10　36 000 s桥塔整体的温度场

图11　36 000 s混凝土内的温度场

从计算结果可知，由于钢板与空气的综合换热系数和自身的导热性好，且钢板截面薄，

随着时间的推移，上段钢箱段内的节点温度最先达到外界温度，而混凝土的导热性差，在短时间内混凝土内的节点温度很难变化，桥塔在桥塔轴向方向会形成较大的温度梯度，在钢混结合段处会形成一个很大的横向温度梯度，从而会在桥塔内产生较大的温度次应力.此时承压板连接钢混段，在承压板的外表面会出现最不利的拉应力.

图12钢塔外表面节点温度随时间变化曲线图中，TEMP_9为中段钢混结合段处钢板的外表面节点6 114的温度随时间变化曲线，TEMP_10为上段钢箱段处钢板的外表面节点16 650的温度随时间变化曲线.

图12　钢塔外表面节点温度随时间变化曲线图

计算结果表明，当外界温度突然降温时，钢混结合段处的钢板与混凝土接触，而混凝土导热性能差，导致钢混结合段处钢板的外表面温度下降比上段钢箱段处钢板的外表面温度慢.降温开始时，桥塔内部温度与外界气温的温度梯度大，所以桥塔各节点降温速率快，后来逐渐趋于平稳，直至与外界气温平衡.

3.2温度应力与变形分析

从计算结果可知：

1) 图13表示在外界气温降温时，1 h后桥塔x方向的应力.由图13可见，桥塔表面先降温，在顺桥x方向，桥塔的最大压应力出现在桥塔的最底端，大约为18.3 MPa，而最大的拉应力会出现在桥塔钢箱段上顶端，大约为9.7 MPa.图14为钢混结合段某一截面x方向的应力，桥塔钢箱段的钢板外表面会出现较小的压应力，但在钢混结合段处的钢板外表面及其被混凝土包围的2道内腹板中会出现较大压应力，在7～13 MPa之间，其原因是由于钢混结合段内钢板的导热性能好、降温快，但混凝土内的温度改变不大，钢板与混凝土2种材料的弹性模量、线膨胀系数等不同，从而在温度作用下钢板内会形成较大的压应力，相应的在与钢板接触的混凝土中会出现较大的拉应力.

图13　3 600 s时x方向的应力

图14　3 600 s时钢混结合段x方向的应力

2) 图15为在外界气温降温时，1 h后桥塔竖向z方向的应力.桥塔的最大压应力出现在桥塔的最底端，大约为34.5 MPa，而最大的拉应力会出现在上段钢箱段与中间的钢混结合段交界的承压板顶面上，约为9.1 MPa.由图15可见，桥塔上段钢箱段和下段混凝土段的外表面会出现较小的拉应力，但在钢混结合段处，桥塔外表面出现压应力.承压板顶面的应力分布见图16.

图15　3 600 s时z方向的应力

图16　3 600 s时承压板顶面z方向的应力

3) 在图17、图18中，当外界温度降温的情况下，1 h后桥塔在x方向会往外伸，最大值为0.2 cm，同时在z方向会往上升，最大值为2.2 cm.所以温度对于桥塔位移的影响主要是在桥塔的纵轴方向，应予以控制.

图17　3 600 s时x方向的位移

图18　3 600 s时z方向的位移

4结论

1) 在外界气温骤然降温的情况下，对于桥塔内温度场，上段钢箱段内的节点温度最先达到外界温度.由于混凝土的导热性差，在短时间内混凝土内的节点温度变化慢，那么桥塔在桥轴竖向会形成较大的温度梯度，同时在钢混结合段处会形成一个很大的横向温度梯度.

2) 对于在温度作用下桥塔内产生的温度应力，桥塔的顺桥x方向，在钢混结合段处的钢板外表面及其被混凝土包围的2道内腹板中会出现较大压应力，相应的与钢板接触的混凝土中会出现较大的拉应力.桥塔的竖向z方向，桥塔上段钢箱段和混凝土段的外表面会出现拉应力，在承压板顶面会形成最不利的拉应力，但在钢混结合段处，桥塔外表面会出现压应力.

3) 在外界温度改变的情况下，温度对于桥塔位移的影响主要是在桥塔的纵轴方向，应予以控制.

参 考 文 献

[1]葛耀君，翟东，张国泉.混凝土斜拉桥温度场的试验研究[J].中国公路学报,1996,9(2)：55-58.

[2]段飞.大跨度钢桥日照温度场和温度效应研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[3]郑富文.预应力钢筋混凝土箱梁公路桥日照温度场和温度应力研究[D].成都：西南交通大学,1988.

[4]金增洪.混凝土桥梁的温度差设计[J].中外公路,1993(5):12-20.

[5]刘照球.混凝土结构表而对流换热研究[D].上海:同济大学,2006.

[6]郝超，丁润贤，柳世强.钢桥温度场分布的数值模拟[J].世界桥梁,2002(3):55-59.

Study on Temperature Effect of the Steel-concrete Pylon of Cable-stayed Bridge

YANG Jixin1)CHENG Xudong1)LIU Qianrui1.2)LIU Jie1.3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(CentralandSouthernChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.Ltd.,Hangzhou310009,China)2)(ChinaCommunicationsConstructionCompanyLimited,Beijing10088,China)3)

Abstract：Combined with the construction of steel-concrete pylon of some cable-stayed bridges, the bridge tower is analyzed with finite element method under certain initial temperature. The temperature field distribution in the steel and concrete of the pylon, the temperature stress and the resulting deformation of the pylon are studied in the case where there is a sudden drop of the outside temperature. The result shows that a relatively large temperature gradient in the vertical direction of the pylon emerges when the outside temperature suddenly decrease. Besides, in steel-concrete composite segment along the span of pylon, there appears relatively large compressive stresses both on the external surface of the steel and in the endosternum which is surrounded by concrete. In the vertical direction of the pylon, tensile stresses in the steel box of the upper segment and external surface of the concrete segment are found to exist. In addition, it is found that the most unfavorable tensile stress appears in the top of bearing plate. However, in the steel-concrete composite segment, there appears compressive stress on the outside surface.

Key words：the pylon of cable-stayed bridge; steel-concrete joint; temperature field; temperature effect; numerical analysis

收稿日期：2016-04-28

中图法分类号：TU34

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.002

杨吉新(1964- ):男，教授，博士生导师,主要研究领域为桥梁工程与力学