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溫度效應作用下混凝土橋墩應力的影響研究

孫亭亭1，祝向群1，馬鋒2，胡澎濤3

摘要：橋梁設計中的橋墩一般是空心薄壁結(jié)構(gòu)，由于自然界中諸多溫度效應的影響，使得橋墩中混凝土的應力分布有所不同，從而導致在混凝土施工時的水化熱不同。采用有限元模型分析不同溫度下混凝土應力的分布情況，探尋在不同溫度下墩身應力的分布規(guī)律，包括冬季施工時的5 ℃和夏季施工時的40 ℃，為合理設計墩身結(jié)構(gòu)和降低水化熱提供依據(jù)。

關鍵詞：溫度效應;有限元;混凝土;水化熱

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，越來越多的橋梁建設在黃土高原丘陵溝壑區(qū)?？招谋”诟叨盏臉蚨赵O計在諸多結(jié)構(gòu)設計中有其顯著的優(yōu)越性。但由于受到太陽輻射、氣溫變化等因素的影響，薄壁高墩內(nèi)部會產(chǎn)生非線性變化的溫度分布[1]，從而產(chǎn)生很大的溫度應力[2]。溫度應力對橋梁結(jié)構(gòu)造成的危害，已經(jīng)越來越被工程界所重視[3-5]。

1工程背景

某大橋橋墩立面如圖1所示。該大橋的技術指標如下：

(1)公路等級：1級公路。

(2)設計行車速度：60 km/h。

(3)橋面寬度：2×(0.5 m防撞墻+10.25 m行車道+0.5 m防撞墻)+0.5 m=23.00 m。

(4)荷載：①設計荷載：公路—I級；②地震烈度：地震基本烈度7度。

大橋橋?qū)挒?×(0.5+10.25+0.5)+0.5=23.00 m，分離式斷面。橋梁上部：先簡支后連續(xù)T梁，采用4孔、3孔一聯(lián)，主梁高2.5 m，1孔共用5片主梁(半幅)。橋梁跨徑組成：25×40(預制T梁)=1 000 m。

大橋橋墩為柱式墩和單支空心薄壁墩。空心薄壁墩承臺厚3.0 m，每座承臺配4棵樁基礎，樁基直徑2.0 m，大橋樁基長度34～40 m。本文主要分析左幅12#墩。

大橋所在地氣候特點為冬長夏短，寒冷干燥，風多雨少，年平均氣溫7.5 ℃，1月平均氣溫-11.5 ℃，極端最高氣溫37.1 ℃。年日均氣溫5 ℃以上的持續(xù)天數(shù)為198 d，日均氣溫0 ℃以上的持續(xù)天數(shù)為232 d，全年平均日照2 900 h，無霜期平均為135 d左右。

2溫度效應理論分析

工程結(jié)構(gòu)中計算溫度荷載的方法是按照時間變化函數(shù)確定的。在分析研究工程結(jié)構(gòu)的溫度荷載時需運用各種不同的計算方法，來判斷工程結(jié)構(gòu)在某一特定時間和特點條件下的溫度分布。

2.1　從時間坐標分

①非穩(wěn)態(tài)溫度場：溫度變化和時間有關，t=f(x,y,z,τ)。在非穩(wěn)態(tài)溫度場中發(fā)生的導熱。

②穩(wěn)態(tài)溫度場：溫度分布與時間無關，即穩(wěn)態(tài)導熱：發(fā)生于穩(wěn)態(tài)溫度場中的導熱。

圖1　大橋12#(52 m)墩立面圖Fig.1　The elevation view of the bridge 12#(52 m)

(1)

圖2　等溫線Fig.2　The isotherm

2.2　從空間坐標分

三維溫度場：溫度與3個坐標有關的溫度場，

(2)

二維溫度場：溫度與2個坐標有關的溫度場，

(3)

一維溫度場：溫度只與1個坐標有關的溫度場，

(4)

3有限元軟件分析

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL對高墩由溫度荷載作用產(chǎn)生的影響進行建模分析。由于實際墩身具有對稱性，所以只需取1/4墩身進行建模和分析，這樣不僅可以提高建模速度、縮短分析時間，而且也便于查看內(nèi)部溫度分布以及應力發(fā)生狀況。為了考慮徐變、收縮以及混凝土抗壓強度(彈性模量)的變化，定義時間依存性材料特性：墩身混凝土為C30，按照JTG04(RC)規(guī)范計算；材料類型定義為各向同性材料。熱特性值：比熱容0.25 J/(kg·k)，混凝土容重25 kN/m3，熱傳導率2.3 W/(m·k)，對流系數(shù)外表面12 W/(m2·k)。對澆筑混凝土后1 000 h的墩身進行水化熱分析，研究不同溫度下的受力分布和變形情況，不考慮管冷的效果。

整體模型共建立1 936個節(jié)點，1 500個實體單元；二分之一模型共建立1 663個節(jié)點，750個實體單元；四分之一模型共建立663個節(jié)點，375個實體單元，模型如圖3所示。利用有限元軟件對模型進行分析，分別考慮外部環(huán)境溫度為5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃時墩身水化熱的分布情況，其中最低溫度5 ℃與最高溫度40 ℃時模型墩身與整體墩身應力云圖分別如圖4～圖7所示，5 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃時墩身整體分布溫度見表1，分布規(guī)律如圖8所示。

圖3　有限元整體、1/2和1/4模型Fig.3　The overall，one half，one quarter of the finite element model

圖4　5 ℃下模型墩身溫度分布Fig.4　The temperature distribution of pier body under 5 ℃

圖5　40 ℃下模型墩身溫度分布Fig.5　The temperature distribution of pier body under 40 ℃

圖6　5 ℃下整體墩身溫度分布Fig.6　The temperature distribution of overall pier body under 5 ℃

圖7　40 ℃下整體墩身溫度分布Fig.7　The temperature distribution of overall pier body under 40 ℃

由表1可知，在墩身水化熱的影響下，在5 ℃下墩身表面最高溫度為6.3 ℃，墩身內(nèi)最高溫度為14.7 ℃；在10 ℃下墩身表面最高溫度為11.3 ℃，墩身內(nèi)最高溫度為19.7 ℃；在20 ℃下墩身表面最高溫度為21.3 ℃，墩身內(nèi)最高溫度為29.7 ℃；在30 ℃下墩身表面最高溫度為24 ℃，墩身內(nèi)最高溫度為38.4 ℃；在40 ℃下墩身表面最高溫度為27 ℃，墩身內(nèi)最高溫度為47.8 ℃。

圖8　不同溫度效應作用下墩身溫度變化Fig.8　Pier body temperature distribution under different temperature effect

4結(jié)論

由有限元分析結(jié)果：當外界環(huán)境溫度最低在5 ℃時，混凝土墩身外表面最高溫度為6.3 ℃，從應力云圖可以看出溫度梯度分布由外表面至混凝土中心，溫度不斷增加；當外界環(huán)境溫度最高在40 ℃時，混凝土墩身外表面最高溫度為27 ℃，中心最高溫度為47.8 ℃，外表面與外界環(huán)境直接接觸，溫度降低明顯，并趨于環(huán)境溫度。由圖8可知，在不同外部溫度下墩身混凝土外表面和墩身中心溫度的分布基本趨于均勻變化；不同的環(huán)境溫度對澆筑時混凝土墩身的溫度有顯著影響，適當降低混凝土入模溫度可以有效控制水化熱，對于工程實踐具有重要指導意義。

參考文獻：

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Influence Study of Concrete Piers Stress under the

Temperature Effect

SUN Tingting1, ZHU Xiangqun1, MA Feng2, HU Pengtao3

Abstract：The piers in bridge design are generally hollow thin-walled structures. Due to the influence of many temperature effects in nature the stress distribution of concrete piers is different. Thus hydration heat is different in the process of concrete construction. This paper uses the finite element model to analyze the distribution of the concrete effects under different temperature stress and explores the distribution law of pier body stress at different temperatures, including 5 ℃ construction in winter and 40 ℃construction in summer. Thus provide the basis for the rational design of the pier body structure form and site construction to reduce the heat of hydration.

Keywords：temperature effect; Finite Element; Concrete; Heat of hydration

(責任編輯：李華云)

作者簡介：孫亭亭(1986-)，男，江蘇豐縣人，碩士，主要研究方向為工程力學。

基金項目：中央財政建筑技術實訓基地項目(34113042613)；安徽省教育廳、財政廳省級示范實驗實訓中心項目(20101474)

收稿日期：2014-10-05

中圖分類號：U441.5

文獻標識碼：A

文章編號：1671-5322(2015)01-0070-05

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201501016