高海拔地区薄壁空心高墩日照温度效应

刘诚诚，黄永杰，张根思，刘武昊，刘成，张永水*

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆市 400074； 2.中交基础设施养护集团有限公司； 3.青海省公路管理局)

高海拔地区具有气温低、昼夜温差大、太阳辐射强的特点，薄壁空心高墩受日照辐射和空气温度影响较大。薄壁空心高墩由于四周和内外表面温度的不均匀分布，容易引起较大的偏位和应力。基于温差研究表明：当空心高墩内外气温温差达2～3 ℃时，桥墩内外壁温差可能会超过15 ℃。基于偏位的研究表明：当四周外壁温差达7 ℃时，温差产生的偏位达到5 cm以上，超过规范允许的轴线偏位值。有文献表明温度引起的应力应变值甚至达到了和活载一样的数量级，因此不能忽略温度对高墩的影响。在施工过程中，除了考虑高墩施工工艺产生的误差外，还需考虑由日照温度对桥墩偏位的影响，对施工段进行相应的调整，保证墩身的垂直度。同时通过合理布置防裂钢筋或采取相应的温控措施，防止墩身开裂。

为研究施工过程中，日照对桥墩的影响，以现场试验数据为依据，分析日照温度对墩体温度的影响，计算由此产生的温度应力和温度变形。为墩身裂缝防治以及墩身垂直度控制提供建议，以保证墩身施工质量。

1 热交换理论

墩身温度场随外界温度和日照辐射的变化而变化。热交换具体计算如下。

太阳直接辐射热流密度：

(1)

(2)

式中：J0为太阳常数，表示太阳辐射在单位时间内投射到地球大气层上界并垂直于太阳射线的单位面积上的能量；N为自1月1日起的日序数；P为大气透明度系数，由林克氏浑浊度系数和相对大气压决定；h为太阳高度角；β为壁面与水平面的夹角；αs为太阳方位角；αw为壁面方位角。

天空散射：

(3)

地面短波反射：

(4)

式中：rs为地表短波反射系数。

任何物质都可以释放并吸收长波辐射：

qr=Csε[εah(Ta+273)4-(T+273)4]

(5)

式中：εah为反映大气长波辐射与地面长波辐射综合辐射效应的系数，可取为1.0；Cs为斯特番-波尔兹曼常数；ε为混凝土表面辐射率；Ta为气温；T为边界温度。

空气与墩表面之间存在温度差，会在边界处产生对流换热，壁面与大气对流换热的热流密度为：

qc=h′[Ta-T]

(6)

式中：h′为对流换热系数，可以采用经验公式计算：

(7)

式中：V为风速(m/s)。

2 现场温度测试

以青海省G310大循高速公路上卧龙沟4号大桥为研究背景。该桥最高桥墩为6#桥墩，高104 m。外表面由墩底8.06 m×6.56 m渐变到墩顶5.50 m×4.00 m，横桥向壁厚0.85 m，纵桥向壁厚0.80 m。

为测得卧龙沟4号桥6#墩沿壁厚方向的温度场，选取桥墩高30 m和墩高90 m处作为测试截面，截面上埋置混凝土温度传感器进行量测。每个截面共布置12个温度测点，温度测点布置见图1。并在墩内、外表面上各自安装一个空气温度计，用于测量空气温度，2016年8月8号所测空气温度见表1。

图1 桥墩布置走向及表面温度测量布置图

表1 6#墩内外表面空气温度实测值(2016年8月8日)

3 日照温度场分析

3.1 模型分析参数

以卧龙沟4号6#墩为计算模型，仅考虑桥墩架设过程，还未架设上部结构，分析2016年8月8号的温度。根据实测结果分析，桥墩温度和墩高无关。桥墩外表面热交换包含热辐射和热对流，风速取1 m/s。内表面热交换包括长波辐射和热对流，风速取0 m/s。不考虑内外气流交换。内外空气温度取实测值。表2为具体参数取值。

表2 墩身温度分析关键参数表

由于对流换热和长波辐射交换都受表面固体温度和表面空气温度的影响，因此采用综合换热系数表征其综合效果，公式为：

(8)

对于外表面，因太阳辐射与表面温度无关，不影响综合系数，故以综合系数将太阳辐射的热流换算到周围的空气中，为综合空气温度。

Tsa=Ta+Asqsdi/hz

(9)

式中：Tsa为综合空气温度；Ta为外界温度；As为混凝土吸收率。

内表面不考虑太阳辐射，Tsa=Ta。

3.2 温度场分析

采用Ansys17.0中的Ansys/Multiphysics模块分析桥墩温度的变化。

首先建立墩模型。单元采用三维实体单元Soild70进行分析，生成实体模型，扫略(Sweep)划分网格。

然后求解。定义初始环境温度为18.2 ℃。采用瞬态分析。荷载采用热对流加载，空气温度由测得的空气温度数组按时间插值所得，按式(8)、(9)计算出综合交换系数、综合空气温度。

表3和图2为90 m处各测点的温度计算值与实测值。

表3 东北侧外表面和西北侧外表面测点温度变化

图2 13：00时刻不同测点的温度值

由表3可知:从时间和空间上，证明空心墩计算值和实测值比较吻合，变化规律基本一致。说明温度场计算模型正确可信。图2表明：受日照温度和辐射影响较大的范围位于距桥墩外表面50 cm以内。

4 温度效应分析

4.1 温度应力分析

在已验证的温度场分析模型基础上，将温度单元转化为对应的结构单元，写入结构属性，施加一端固结一端自由的边界条件，墩只承受温度荷载，按荷载步加载温度计算结果。求得墩应力变化和位移变化。取计算结果的典型时刻12：48墩顶单元，计算结果如图3～5所示。

图3 墩顶单元横桥向应力云图(单位:Pa)

图4 墩顶单元纵桥向应力云图(单位:Pa)

由图3～5可知:混凝土3个方向的最大拉应力分别为σx=1.98、σy=1.84、σz=1.54 MPa。空心墩混凝土的抗拉强度标准值为2.39 MPa，抗拉强度设计值为1.71 MPa。考虑桥墩在施工过程中主要受竖向重力，且最不利位置位于墩顶处，重力产生的应力对x、y方向拉应力的影响不大，故按最大拉应力理论，应力值大于混凝土抗拉强度设计值，施工中，桥墩混凝土可能产生开裂。

图5 墩顶单元竖向应力云图(单位:Pa)

4.2 位移偏位分析

分析日照温度对墩顶偏位的影响。最大轴线偏位见表4。

表4 104 m墩顶偏位

假设日照辐射、天气温度没有变化，仅分析墩高对偏位的影响。共分析墩高为30、50、70、80、90、104 m等情况。将得出的数据进行插值，结果见图6。

图6 墩高与墩顶偏位关系图

5 结论

(1) 高墩温度场主要影响因素为大气温度和太阳辐射。而高墩朝向对墩外表面所受辐射大小有影响。桥墩的温度滞后于空气温度。由于日照辐射，桥墩最大温度高于空气的最大温度。桥墩受日照温度和辐射影响较大的范围位于距外表面50 cm以内。

(2) 温度和日照辐射对桥墩偏位影响极大。因此建议，为避免此类偏位对施工引起不利影响，桥墩混凝土浇筑应当选择墩身温度较为均衡的凌晨04：00-05：00进行。对104 m高墩来说，温度引起墩顶最大偏位为31.1 mm，已经超过规范轴线偏位允许值，需严格控制施工。墩顶轴线偏位和墩高呈二次关系，桥墩高于50 m时需采用严格的纠偏措施。

(3) 按混凝土抗拉强度设计值来考虑，施工过程中墩顶混凝土有开裂的风险，需合理布设防裂钢筋或采取温控措施，以防止混凝土开裂。