日照下混凝土箱梁温度场数值分析研究

数值分析研究吴清伟，曹新建(浙江省建设工程质量检验站有限公司，杭州310012)［摘要］针对目前温度对混凝土箱梁桥设计和施工重要意义，讨论了确定箱梁温度场各种因素和边界条件在有限元程序的 实现。以黑龙江富绥松花江大桥为例，采用了通用有限元程序ANSYS对大跨预应力混凝土箱梁温度场的热力学进行了有限元 分析。通过实际工程论证此方法能较准确模拟混凝土的温度场，可为今后混凝土温度场提供一定的参考依据。［关键词］混凝土箱梁桥；温度场；有限元程序［中图分类号］TU37 : U441.5 ［文献标志码〕A ［文章编号］1OO1-523X (2019) 23-0116_02Numerical Analysis of Temperature Field of Concrete BoxGirder under SunlightWu Qing-wei, Cao Xin-jian［Abstract ］ In view of the importance of current temperature to the design and construction of concrete box girder bridges, the realization of various factors and boundary conditions for determining the temperature field of box girder is discussed in the finite element program. Taking the Heilongjiang Fuhua Songhuajiang Bridge as an example, the general finite element program ANSYS was used to analyze the thermodynamics of the large-span prestressed concrete box girder. Through actual engineering, this method can accurately simulate the temperature field of concrete, which can provide a certain reference for concrete temperature field in the future.［Keywords ］ concrete box girder bridge ； temperature field ； finite element program早年由于缺乏对温度产生混凝土箱梁裂缝的认识，造成 后期桥梁出现大量裂缝甚至倒塌。根据现有的文献表明在超 静定预应力混凝土箱形桥梁中，温度产生的应力超过后期活 载产生的应力。美国Champigny箱形梁桥日照温差拉应力高 达3.92MPa»因此，对箱梁混凝土温度分布规律和变化的研 究，对后期设计和施工有很大的意义。在温度场研究方面， 我国许多的专家也做了很多研究，例如：湖南大学的李全林 用ANSYS建立了一维温度场分析模型并对箱梁进行了设计参 数的研究，朱春明釆用有限元方法进行了温度对结构的影响。 对温度场相关的物理关系和解决方法有一定的实测数据。本 文以黑龙江富绥松花江大桥为工程背景，根据气象资料，探 讨釆用通用有限元程序ANSYS模拟温度场的方法。翼缘板大部分受地面反射影响；（3）腹板受太阳直射、散射、 反射多重影响，阴影处则要扣除太阳直射。1.2.2热交换系数热交换系数通常包括两部分，由于辐射引起的热交换用 %表示，由于传导和对流引起的热交换用对流热交换系数a* 表示。在工程实际中，这两部分通常综合为总的热交换系数： a=a^rasO1.2.3大气温度的影响结构截面的温度分布取决于大气温度的取值。结构的温 度自约束应力和曲率都随着周围大气温度变化的增大而增大。 数据证明一般24h内的气温变化大部分可用正弦函数进行模 拟，假设日气温在最大日气温Tam„和最小日气温Tama之间按 正弦曲线变化，而且最大和最小气温分别发生在下午3 : 00和 早晨3 : 00时。则可导得各时刻的大气温度为：1混凝土箱梁温度计算理论混凝土箱形桥梁大部分暴露在大气中，大气温度对箱形混 凝土的影响，主要体现在季节温差和日温差两种形式上，总 体来说，季节温差是缓慢和整体的，仅与时间变化有关，但 是日温差对箱梁的影响则是非均匀和局部的，说明影响结构 温度场不仅是时间还有结构物本身的结构尺寸。本文主要研 究混凝土箱梁受日温差的影响。1.1温度场计算基本方程温度场是一个三维不稳定问题，对其进行模拟分析比较 困难，但是箱梁横向尺寸相对纵向尺寸可以忽略不计，这样 箱梁的温度场计算可以近似认为在箱梁横断面进行。由此箱 梁温度场可以简化成平面温度梯度，忽略纵向温度梯度。 1.2边界条件确定箱梁温度主要的热交换方式包括：太阳辐射、与空气的 对流以及箱梁内部热传导。121太阳辐射本文把太阳辐射分为太阳直接辐射、太阳散射辐射和地 面反射。（1）箱梁的顶板、主要受太阳直射、散射影响；（2）

人\"）=*（人皿》+ Amin）+£（人 max — 人 mm \"血］\"一 9）醫］1.2.4边界条件的实现本文釆用Ansys进行温度场瞬态分析。把综合热交换系 数施加在相应的节点上，釆用热流密度进行太阳辐射强度模 拟，最后施加面荷载在箱梁相应的单元上。2工程实例分析2.1桥梁概况富绥松花江大桥位于我省东部地区富锦市，主桥上部结 构釆用85m+6xl50m+85m变截面预应力混凝土连续箱梁，主 梁釆用单箱单室断面，根部梁高9.0m,跨中梁高3.5m,梁高 按2次抛物线变化。富绥松花江大桥于2009年5月开工，计划2011年10月建 成通车。釆用公路交通科技研究所自主研发的Bridge KF对其 进行成桥状态的模拟。2.2温度场计算平面及参数取值根据热传导的基本原理，采用大型通用有限元程序Ansys, 利用了 2维8节点的热实体单元plane77和表面效应单元

收稿日期：2019-08-26

作者简介：吴清伟（1985—），男，浙江杭州人，工程师，主要研究方向

为桥梁检测。•116*建筑技 术开发Building Technology Development工程技术Engineering and Technology第46卷第23期2019年12月surfl 51进行瞬态热分析。箱梁共划分1 395个单元,3 754个节点， 有限元模型如图1所示，在进行箱梁温度场的分析时，存在着 选取热力学参数的问题，其相关的热力学参数准确与否直接 影响分析的结果。由于现场缺乏测试这些参数的设备，故参 考民用建筑热工设计规范，取值见表1。腹板上方和闭合箱室上方两处温差则表现在横向方向上。从 分析图表也可以得到，当箱梁边界上温度变化时中间部位变 化缓慢，这是混凝土截面存在温差的主要原因，也说明了混 凝土是一种不善导热的材料。(4)从图4、图5可得到顶板表面在太阳辐射下温度急剧 上升，整体上顶板温度白天的升温过程主要表现出半谐波曲 线的特征，在14 : 00温度达到最高值；由于混凝土的热传导 滞后性，顶板中间温度上升速度比上表面缓慢的多，顶板竖 向温度梯度也在14 : 00达到最大。结果表明，在太阳辐射影 响下顶板温度梯度主要以竖向温度梯度为主，横向温度梯度 不明显，顶板同一高度横向温度差值大部分在59。图1箱梁有限元模型

表1材料热力学参数项目材料比热容C/[j/(kg °C)]热传导系数/

[W/ (m-°C)]比重p/(kg/m3)2600混凝土空气9251.005e 330.02571.22.3平面温度场计算结果运用ANSYS有限元分析软件根据上述资料对箱梁截面进 行瞬态温度场分析，计算得出各时候的温度云图如图2和图3 所示，限于篇幅的要求列出7：00和13：00的温度场云图，另 外取顶板、腹板和底板代表性节点列出随时间变化曲线(时 间是从6： 00到18： 00)。从图2、图3计算结果可知以下几点。图5 14 : 00箱梁顶板温度横向变化曲线3结束语图2箱梁不同位置处温度随时间变化曲线本文混凝土箱梁温度场模拟主要考虑了几何材料特征、 环境条件、物理性质以及桥梁位置走向等相关因素，实践工 程表明，利用次方法可以较好地模拟混凝土的温度场，为今 后混凝土箱梁温度场的模拟提供了参考依据。参考文献[1] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析〔M].北京：人民交通出版社， 1991.[2] 孔祥谦.热应力有限单元法分析[M],上海：上海交通大学出版社，

1999.[3] ZHU C M.Concrete structural temperature effect nonlinear analysis [D].

Shanghai : Tongji university, 2003.[4] 李全林.日照下混凝土箱梁温度场和温度应力研究[D],长沙:湖南大学，

2004.图3箱梁不同位置处温度随时间变化曲线[5] 朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M],北京：中国电力岀版社，

1991.(1) 7 : 00左右，东侧腹板在太阳照射下温度高于西侧腹 板温度，两侧腹板温度差最大在2C左右，随着时间推移，由 于翼缘板遮挡两侧腹板此时两侧腹板温差较小。[6] 范立础.预应力混凝土连续梁桥[M],北京：人民交通出版社，1991.[7] Jain.PC.A method for diffuse and global irradiation of horizonta lsurfaees.

Solar Energy, 1990, 44 (5) : 301-308.[8] 叶建国.混凝土弯连续刚构桥二维温度梯度效应研究[D],西安：长安大

(2) 由于箱梁翼缘板的遮挡作用，在太阳辐射强度增加 过程中，东西两侧腹板和内外两侧腹板温差并不显著。(3) 在太阳强度变化剧烈阶段,箱梁顶板温差以竖向为主,

学，2006.[9] 苏丹.温度场及温度应力对曲线箱梁桥受力性能的影响研究[D].北京：

北京交通大学，2007.・117・