基于TAITHERM 的混凝土T 梁温度场分析

黄峰 ，王莹 ，蔡笑飞 ，张锴 ，程追 ，刘新民 ，杨宏印

（1.武汉临空经济区建设投资开发集团有限公司，武汉 430000；2.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，武汉430023；3.武汉工程大学土木工程与建筑学院，武汉 430074）

1 引言

对于混凝土桥梁结构来说，环境影响因素中最突出的是水和温度【1】，温度应力有时甚至比活载产生的应力还要大【2】。Elbadry【3】等通过研究公路T 梁桥发现，桥梁的温度效应与材料参数、环境温度、太阳辐射等因素有关。为解决这一问题，国内外学者进行了许多深入的研究。加红艳【4】使用ANSYS 软件，揭示了T 形梁火灾温度场的分布规律。然而，由于很难客观考虑实际气象条件，现有关于桥梁温度场的计算仿真对于边界条件的处理往往过于简化。此外，现有对温度场的研究大多集中在箱梁，混凝土T 梁的研究相对较少。我国跨越了多个气候区，但温度梯度模式一直沿用统一的JTG D60—2015《公路桥涵通用设计规范》【5】，是否适合全国各地区桥梁的温度分布仍需要进一步研究。

因此，充分考虑太阳辐射、材料对辐射吸收率影响等边界条件，建立基于TAITHERM 热分析软件的混凝土T 梁温度场分析模型，通过与桥梁长期温度监测数据对比，分析验证计算模型的效率和准确性，进而分析预测既有T 梁桥运营期间温度场时空分布情况，具有重要的工程应用价值。

2 桥梁温度测点布置

以武汉市某混凝土T 梁桥为监测对象，该桥的方位角约为东偏南56°，近似于西北-东南走向。桥梁所属地区属于亚热带季风气候，夏季高温多雨，气温较高。冬季寒冷干燥，最冷月气温在0℃以下。主梁跨径20m，横桥向宽度为17m。

考虑到经济性和有效性，选择受到阳光照射较多和温度变化较为明显的边梁埋设温度传感器，共13 个，如图1 所示。

图1 T 梁温度测点布置示意图

3 温度场计算模型建立和验证

计 算 模 型 主 要 用 到 ANSYS、HYPERMESH 以 及TAITHERM 软件，其中，ANSYS 的作用是建立壳单元模型；HYPERMESH 的作用是将ANSYS 中建立好的模型实行网格划分，并且能够解决TAITHERM 与ANSYS 的数据及格式兼容问题；温度场的计算主要由TAITHERM 软件来执行。

3.1 模型建立

TAITHERM 是一款跨平台热和红外特征建模工具，可用于模拟组件系统复杂表面描述的热稳态和瞬态分布，又可以引入天气文件，模拟太阳辐射受地理位置、云层遮挡和散射等因素的影响。

确定桥梁材料为水泥混凝土的情况下，材料参数取值如表1 所示。

表1 TAITHERM 中参数设置

3.2 模型验证

根据2018 年全年实测桥面温度数据，选择有代表性的月份计算温度场模型，从而验证软件模拟的准确性。本文选取气温较为极端的2018 年7 月进行重点分析，结果如图2 所示。

图2 2018 年7 月桥面计算与实测数据对比

由图2 可见，桥面温度计算值和实测值变化趋势基本一致，且都是成正弦的趋势变化，两者差值均在3.1℃之内；桥面最高温度在夏季，高达60℃。结果表明，基于TAITHERM 建立的三维温度场模型可以较为准确地计算混凝土T 梁桥的温度场分布。

4 最不利温度梯度计算

4.1 最不利温差的选取

当竖向最高温度与T 梁梁高方向上的温度差值达到最大值时，此时可将竖向的温度分布当作最不利温度梯度。由图3可见，最大实测温差也是呈现正弦波式的变化，刚好符合实际桥梁情况的季节周期性和日温差周期性，并且日温差最大值发生的时间为2018 年7 月23 日14:00，此时顶板与腹板的温差最大。以此为基础，得到某立交温度数据中最大温差为18.0℃，最小温差为-1.4℃。通过计算7 月的温度场模型，得到最大日温差也是7 月23 日14:00，其周期性和实测数据具有良好的一致性。

4.2 计算梯度与规范、实测梯度的对比

该桥沥青铺装层厚度为80mm，根据线性内插法可得到规范值T1=16.4℃，T2=5.98℃，同样用双折线模式计算实际温度梯度T1=18.0℃，T2=6.4℃，模型计算得到的结果T1=17.1℃，T2=6.6℃。由梁体实测温度梯度分布可见，温度的变化主要发生在距离顶板0.3m 的范围内。由图4 可见，在夏季T 梁实际的最大竖向温度梯度数值超过了规范值，说明应以桥址处的实际温度梯度进行分析设计；通过TAITHERM 软件计算的结果比规范值更加接近实测数据。

图3 7 月顶板与腹板温差及逐时温度最大值

图4 规范、实测及模型计算双折线温度梯度

5 结语

1）利用当地气象资料，验证了大型有限元软件ANSYS 和TAITHERM 建立的温度场分析模型具有较高的精度和效率；

2）通过数据拟合和统计分析得到混凝土T 梁桥的极端有效温度和最不利温度梯度，对比分析发现，为得到不同地区桥梁温度场的精细分布，需根据当地的实际气候变化特点来调整。

3）分析与总结了武汉地区混凝土T 梁温度场的变化规律，可为武汉市内同类型T 梁温度场分析与预测提供参考。