亚热带季风气候区域箱梁温度场及效应分析

戴 斌, 陈常松, 曾有艺



亚热带季风气候区域箱梁温度场及效应分析

戴 斌, 陈常松, 曾有艺

(长沙理工大学土木与建筑学院, 长沙 410114)

介绍了独峒大桥主梁温度测点布置情况, 比较分析了亚热带季风气候区域和温带季风气候区域的箱梁温度场分布的差异, 采用多项式函数拟合亚热带季风气候区域的箱梁在典型天气下的温度场, 据此计算的轴向应变和曲率作为温度参数代入桥梁结构电算程序(BDCMS)中, 验证了理论计算值与实测值吻合情况良好, 有足够的工程精度.

亚热带季风气候区域; 刚构桥; 温度场; 轴向应变; 曲率

引言

近年来, 混凝土箱梁桥在日照辐射下的温度场备受关注, 我国幅员辽阔、地形复杂, 涵盖了各种类型的气候, 而混凝土箱梁的温度场又与外界气温环境有着千丝万缕的联系, 同类型的桥梁结构在不同气候条件下温度场分布不尽相同, 带来的温度内力与变形自然大小各异, 因此某一地区的研究成果并不一定适用于其他地区, 有必要对各个气候区域的温度场进行针对性分析. 本文依托工程独峒大桥是位于亚热带季风气候区域的一座连续刚构箱梁桥, 在基本同等天气条件下, 选取其他地区的箱梁温度场与之对比, 以此证明不同气候区域箱梁温度场分布存在明显差异. 并且用多项式函数拟合日照辐射下亚热带季风气候区域连续刚构桥箱梁温度场.

1 测点布置

独峒大桥所处位置为广西柳州三江县, 地处东经108°53′～109°52′, 北纬25°22′～26°2′, 桥轴线总体走向方位角约317°. 桥梁分两幅, 左幅桥宽12.75m, 右幅桥宽13.75m, 是一座预应力混凝土连续刚构桥, 共三跨, 中垮97m, 箱梁断面为单箱单室, 总计14个梁段, 对称浇筑, 其中0～12号梁段为T构梁段; 13号梁段为中、边跨合龙梁段; 边跨现浇段设计为14号梁段. 主梁高度最低2.5m, 最高5.8m, 中间按照1.8次抛物线平稳变化, 变化范围为T构末端至主墩墩身外侧. 埋设截面选取左幅13#墩靠近三江侧的9号块中间位置, 此截面梁轴线处高2.9m, 顶板和翼板边缘厚度均为25cm, 底板厚36cm, 腹板厚度为70cm, 具体布置如图1所示.

2 实测温度与其他气候区域的对比

采集温度数据的时间选取在2016年9月3日和5日, 此时正处于12号梁段待强阶段. 从工程角度来讲, 只需从复杂多样的温度数据中分析计算产生的最不利温度效应. 9月5日天气晴朗, 气温变化范围为20℃~35℃, 9月3日多云天气, 气温变化范围为18℃~33℃, 因此, 本文选择日照相对更强的9月5日所测数据进行整理分析.

(1) 顶板竖向温度分布

图2是顶板内7: 00至19: 00的温度变化图, 从图中可以看出在日照辐射下顶板内温度变化幅度大, 顶 板上缘波动幅度12.4℃, 最大温度达到41.8℃, 为15: 00测得; 下缘波动幅度4.7℃, 最大温度在17: 00测得, 相对上缘最大温度出现时间有2小时左右的延迟. 上、下缘最大温差8.1℃, 出现在15: 00左右.

文[5]和文[6]的背景工程均位于黑龙江省, 地处温带季风气候区域. 在文[5]的2010年9月14日箱梁顶板竖向温度分布中, 顶板上缘最大温度34℃, 上、下缘最大温差7.7℃. 而在文[6]的2011年7月22日箱梁顶板竖向温度分布中, 顶板上缘最大温度34℃, 上缘与下缘最大温差不超过4℃.

根据比较, 在季节、天气和气温几乎相同的条件下, 可以得出: (1)亚热带季风气候区域箱梁顶板顶面最大温度远大于温带季风气候区域; (2)对于顶板上、下缘最大温差, 本文为8.1℃, 略大于文[5]的7.7℃, 是文[6]的两倍, 而且本文箱梁顶板厚度25cm小于文[5]的28cm. 不难推断, 在同等厚度条件下亚热带季风气候区域箱梁顶板上、下缘最大温差必定大于温带季风气候区域; (3)即使是位于同一气候区域, 文[5]和文[6]在顶板温度分布上也存在明显差别, 例如顶板顶面温度在一天中的波动幅度, 前者是后者的两倍以上.

(2) 腹板竖向温度分布

根据实测数据的分析, 内、外侧腹板温度场分布差别很小, 选择外侧腹板进行进一步比较说明. 图3显示, 腹板竖向温度为非线性分布, 最上缘测点33最大温度为41.7℃, 出现在15: 00左右, 全天波动幅度12.4℃, 腹板最下缘测点41最高温度33.4℃, 波动幅度5.1℃. 腹板上部由表及里30cm范围以内温度变化较剧烈, 这个范围内最大温差即温度传感器33号和37号差值出现在15: 00, 大小为11.4℃, 而顶板最上缘测点33和位于腹板中间位置的38号温差达到13℃; 38号测点温度稳定, 全天最大差值1.1℃, 可以作为计算温度梯度的基准温度; 腹板下部由于日光反射以及与周围的空气热交换也存在一定的温度差, 最大温度差为3.6℃, 出现在17: 00左右.

由文[5]和文[6]中腹板竖向温度非线性分布的特点可知, 上缘最大温度均在36℃至38℃之间; 在上部1m高度范围的最大温差均在11℃左右, 与本文箱梁腹板30cm范围的最大温差相当, 而与上表面和中心点温差13℃存在一定差距; 文[5]中腹板下部1m范围的最大温差为1.1℃, 文[6]中腹板下部40cm范围内的最大温差为2.9℃, 二者均小于本文箱梁腹板下部15cm范围的最大温差3.6℃.

通过比较两个气候区域的箱梁腹板温度分布, 可以得到: (1)本文外侧腹板最上缘测点最高温度为41.7℃, 全天波动幅度12.4℃, 远大于文[5]和[6]的顶面最高温度36℃至38℃, 也大于文[5]的波动幅度9.7℃; (2)同样的, 外侧腹板最下缘测点最高温度为33.4℃, 远远大于文[5]的最高温度25.2℃, 全天波动幅度5.1℃, 也大于文[5]的3.4℃; (3)文[5]和文[6]中腹板上部1m范围的最大温差大约11℃, 也即是腹板上缘与腹板中心测点的最大温差, 与本文腹板上部30cm范围以内的最大温差11.4℃相当, 但与上缘和中心点温差13℃存在一定差距; 腹板下缘最大温差大于文[5], 与文[6]差别较小.

根据以上分析, 在天气、气温以及季节几乎一样的条件下, 亚热带和温带季风气候区域箱梁温度分布情况差异较大, 即使是同一气候区域的不同地区也会存在一定差异, 所以对于不同地区箱梁共用同一个温度梯度显然不尽合理.

3 温度场拟合

经大量实测研究表明, 用一个统一的函数不能恰当地表示主梁整个断面的温度梯度, 反之, 分部位采用不同函数拟合更为适宜. 在主梁横截面面积不变的情况下简化, 再分块, 如图4所示, 用多项式函数分别拟合每一个分块的温度梯度. 箱梁顶、底板高度不大, 用一个多项式函数拟合, 由于腹板具有一定高度, 日照辐射下, 内部温度梯度变化较大, 可以采用沿高度方向的分段多项式函数拟合, 多项式最高次数取3阶, 具体形式如下.

其中a,b,c,d为多项式系数, 通过实测数据拟合得到,y,y是根据温度元件埋设位置以及分段拟合时的拟合范围确定.

横截面简化之后, 腹板和底板与实际高度相比变化很小, 根据实测数据拟合温度梯度; 顶板高度变化较大, 但只有上缘25cm以内数据, 根据前人的经验和研究结果, 在混凝土从外到内40cm以内温度变化较大, 深度超过40cm日照影响微小, 所以在40cm位置温差值取为零是合理的. 腹板正中心测点温度稳定, 取为基准温度, 各部分整体坐标系下不同高度温差见表1.

拟合得到各计算分区温度梯度公式如下:

4 温度效应分析

对于杆系结构, 温度引起的变形有轴向变形和弯曲变形, 已知横截面温度梯度分布, 在没有外力的情况下, 因为自应力是处于自相平衡状态的, 按照截面上应力合力的总和为零以及对截面中和轴力矩之和为零求出轴向应变和曲率, 分别表示为

.

将各分区的轴向变形和弯曲变形分别累加, 则有:

将计算的轴向应变和曲率以非节点荷载的形式代入桥梁结构电算程序(BDCMS)中, 可以计算出当天温度梯度下主梁理论变形以及内力变化情况, 与实测值应变差值比较见表2.

表2中的应变数据以正、负分别表示拉、压应变. 测点a数据与其他数值相差悬殊, 剔除之后求出实测平均值. 上下缘理论值与实测值接近, 差值分别为8.25%和10.77%, 可见, 采用多项式的计算值与实测数值吻合良好. 换算成应力值, 上、下缘理论值分别是1.44Mpa和−0.50Mpa, 实测值分别为1.32Mpa和−0.45Mpa, 最大应力出现在上缘, 虽然满足混凝土轴心抗拉强度设计值, 但也不容忽视.

5 结论

本文比较分析了地处亚热带季风气候区域的连续刚构桥的温度场特点, 通过多项式拟合分析了温度场效应, 得到如下结论:

(1) 通过选取温带季风气候区域两座桥的温度场与本文依托工程温度场的比较, 可以明显看出不同地区温度梯度分布差异明显, 甚至同一气候区域也存在一定差异, 因此不同地区应当采用各自温度场进行分析.

(2) 在进行箱梁温度场拟合分析时, 分段多项式函数是一个可靠的选择, 并且为计算主梁轴向应变和弯曲变形提供了方便.

(3) 通过计算结果与实测值的比较, 内力十分接近, 说明以上方法具有较高的计算精度, 能够满足实际应用需要, 应用简单方便.

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Analysis of Temperature Field and Effect of Box Girder in Subtropical Monsoon Climate Region

DAI Bin, CHEN Changsong, ZENG Youyi

(School of Civil and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)

This paper introduces Dudong bridge temperature measuring point arrangement, compares the differences in the box girder temperature distribution between the subtropical monsoon climate region and temperate monsoon climate region, and adopts the polynomial function to fit the temperature field of box girder under the typical subtropical monsoon climate region. The calculated axial strain and curvature are employed as the temperature parameters to plug into the bridge structure calculation program (BDCMS), which validates that the theoretical values agree well with the measured values.

subtropical monsoon climate region, rigid frame bridge, temperature field, axial strain, curvature

U448.23+1

A

1672-5298(2017)01-0057-06

2016-12-28

戴 斌(1990− ), 男, 湖南邵东人, 长沙理工大学土木与建筑学院硕士研究生. 主要研究方向: 桥梁结构分析与工程控制

陈常松(1972− ), 男, 湖南攸县人, 长沙理工大学土木与建筑学院教授. 主要研究方向: 大跨度桥梁非线性分析及施工控制