劉凌志,袁銅森,鄭 輝,張春雷
(1.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 吉首 416000;2.湖南省交通科學(xué)研究院,湖南 長沙 410000;3.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 株洲 412000;4.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
電纜融冰雪溫度荷載對橋梁受力性能影響分析
劉凌志1,袁銅森2,鄭 輝3,張春雷4
(1.湖南省永吉高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 吉首 416000;2.湖南省交通科學(xué)研究院,湖南 長沙 410000;3.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 株洲 412000;4.上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
發(fā)熱電纜融雪化冰技術(shù)是通過電纜加熱主動預(yù)防和清除道路結(jié)冰積雪的方法,在道路結(jié)構(gòu)中已成功應(yīng)用,但該技術(shù)在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的研究卻比較少,尤其是電纜發(fā)熱時產(chǎn)生的附加溫度荷載對橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響程度方面的研究。以一座四塔五跨斜拉橋為工程背景,通過有限元數(shù)值模擬分析,研究電纜融冰雪溫度荷載對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響,并對電纜除冰方案的可行性從結(jié)構(gòu)受力的角度進行初步評價。
電纜融冰;溫度荷載;斜拉橋;受力性能
黑冰(薄冰)是由“凍雨”凝聚于低溫路面產(chǎn)生的冰層,是我國中西部山區(qū)高速公路的災(zāi)害性氣象之一。由于具有面積大、硬度高、厚度薄、不易鏟除、不易察覺等特點,凍雨黑冰對交通具有嚴重的危害。對位于海拔高、濕度高的山區(qū)公路橋梁,每年橋面結(jié)冰天數(shù)可以高達30~40 d,給交通運行造成很大的隱患。
針對路面結(jié)冰的問題,國內(nèi)外學(xué)者進行了廣泛研究,開發(fā)了多種融冰除冰技術(shù)措施。車廣杰研究了碳纖維發(fā)熱線在路面融冰中的應(yīng)用[1],王華軍分析了流體加熱融雪的傳熱傳質(zhì)特性[2],李自林等將熱力管融雪方法用于大跨徑鋼結(jié)構(gòu)箱梁橋并分析了其對橋梁結(jié)構(gòu)的影響[3],武海琴等研究了加熱電纜融冰的技術(shù)應(yīng)用[4,5],還有研究關(guān)注于改進材料特性用于路面融雪,如采用導(dǎo)電瀝青混凝土和碳纖維導(dǎo)電混凝土等[6,7]。此外,還有眾多研究者針對融冰對結(jié)構(gòu)的影響進行了試驗研究和理論分析[8-10]。
分析眾多的融冰研究成果可以發(fā)現(xiàn),電纜加熱融冰是一種可靠有效的方案,并且已經(jīng)部分應(yīng)用于工程實踐,取得了良好的工程效果[11]。但是,現(xiàn)有的研究主要針對路面結(jié)構(gòu),而橋梁結(jié)構(gòu)由于自身結(jié)構(gòu)特性及所處環(huán)境特性不同于路面結(jié)構(gòu),在這方面的研究還比較欠缺。本文通過建立橋梁結(jié)構(gòu)實體模型,分析融冰雪溫度荷載對橋梁受力性能的影響,從結(jié)構(gòu)受力的角度探討電纜除冰方案的可行性。
1.1 工程概況
本文依托湖南省某在建的四塔五跨斜拉橋進行電纜融冰分析。該橋主橋設(shè)計跨徑布置為:165 m+ 3×380 m+165 m,橋?qū)?8 m。主橋為四塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,邊塔支承、中塔塔梁墩固結(jié)體系,邊、中跨之比為0.4342,橋塔呈H形索塔。主橋各塔均布置23對斜拉索,拉索縱向呈扇形布置。橋梁總體布置如圖1所示。
圖1 橋梁總體布置圖(單位:m)
1.2 發(fā)熱電纜鋪設(shè)方案
根據(jù)橋址處氣象數(shù)據(jù),為達到融冰雪目的,橋梁表面需要的熱負荷為300 W/m2,考慮一定的熱量損失后確定發(fā)熱電纜的設(shè)計功率為330 W/m2。根據(jù)電纜生產(chǎn)廠家提供的資料,發(fā)熱電纜的線功率為30 W/m,由此計算發(fā)熱電纜的設(shè)計間距為90 mm(見圖2)。為保證電纜加熱效率,將發(fā)熱電纜設(shè)置于瀝青混凝土料面層之間,即4 cm SMA-13導(dǎo)熱瀝青混凝土之下、6 cm AC-200瀝青混凝土之上。鋪設(shè)范圍為沿中央防撞裝置向兩側(cè)各8 m,即雙向4車道鋪設(shè)。
圖2 本文采用的直列式電纜鋪設(shè)方式
2.1 模型簡介
根據(jù)ANSYS計算得到的箱梁溫度場分布,采用Midas FEA建立結(jié)構(gòu)有限元縱橫向模型,在模型中施加節(jié)點溫度分析結(jié)構(gòu)受力性能。
(1)附加溫度荷載
湖南科技大學(xué)采用ANSYS中FLUENT模塊進行傳熱的數(shù)值模擬,采用穩(wěn)態(tài)計算方法,環(huán)境溫度為-5℃,計算得到的箱梁的溫度場分布如圖3所示[12]。在本文的分析中采用節(jié)點溫度施加溫度荷載。為方便敘述,將主梁頂板根據(jù)溫度場分布規(guī)律在橫向劃分為4個區(qū)域:溫度較低區(qū)域I、溫度變化區(qū)域II、溫度較高區(qū)域III、中腹板頂部區(qū)域Ⅳ。
圖3 箱梁溫度場分布及橫斷面區(qū)域劃分
(2)縱向整體分析模型
本文采用有限元分析軟件Midas FEA建立橋梁縱向模型進行結(jié)構(gòu)分析。主梁采用實體單元模擬,主塔采用空間梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬??紤]到橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向完全對稱、順橋向基本對稱,為減少單元個數(shù),提高運算效率,利用對稱性建立1/4橋梁模型進行分析計算。1/4橋梁模型如圖4(a)所示。
(3)橫向整體分析模型
考慮到縱向整體計算分析模型規(guī)模較大(實體單元多達396 900個),縱向整體計算模型中未模擬主梁橫梁。主梁橫向分析通過建立專門的橫向節(jié)段分析模型進行,選取三個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(每個節(jié)段8 m長)建立有限元模型進行結(jié)構(gòu)分析,橫向計算模型中建立箱梁橫隔板,模型如圖4(b)所示。邊界條件為:所有斜拉索錨固點處設(shè)置豎向支撐;單側(cè)斜拉索錨固點設(shè)置橫橋向約束;中間橫梁處的斜拉索錨固點設(shè)置順橋向約束。
圖4 橋梁縱橫向整體分析模型
2.2 縱向整體模型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果
(1)結(jié)構(gòu)位移
分析圖5可以發(fā)現(xiàn),熱力融冰雪溫度荷載作用下最大位移位于邊跨(向上30 mm)。這是由于箱梁頂板受熱膨脹,沿縱向發(fā)生伸長,在邊墩處受約束所致。
圖5 主橋箱梁位移(單位:mm)
(2)主梁應(yīng)力分布
分析主梁順橋向正應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn),主梁應(yīng)力沿順橋向分布比較均勻(見圖6)。
圖6 主梁順橋向頂板壓應(yīng)力縱向分布
分析順橋向正應(yīng)力(見圖7)可以發(fā)現(xiàn):“溫度較高區(qū)域III”以受壓為主,大部分位置的壓應(yīng)力在-3.9 MPa,局部位置的最大壓應(yīng)力達到-4.1 MPa;“溫度較低區(qū)域I”以受拉為主,最大拉應(yīng)力約為1.6 MPa;“溫度變化區(qū)域II”則由受壓迅速過渡到受拉;“中腹板頂部區(qū)域Ⅳ”同樣為溫度變化區(qū)域,其正應(yīng)力也由受壓迅速過渡到受拉。分析產(chǎn)生這種應(yīng)力分布的原因可以發(fā)現(xiàn),區(qū)域III受熱膨脹發(fā)生伸長,受到區(qū)域I和區(qū)域IV的約束產(chǎn)生壓應(yīng)力,由應(yīng)力自平衡導(dǎo)致區(qū)域I和區(qū)域IV受拉。
圖7 主梁順橋向正應(yīng)力圖
分析主梁橫橋向正應(yīng)力(見圖8)可以發(fā)現(xiàn):頂板上表面橫橋向主要為拉應(yīng)力(0.3 MPa),在頂板與腹板交界的區(qū)域拉應(yīng)力較?。?.2 MPa),頂板外側(cè)邊緣區(qū)域應(yīng)力很?。豁敯逑卤砻鏅M橋向主要為壓應(yīng)力(-0.4 MPa以內(nèi));底板上表面橫橋向正應(yīng)力主要為拉應(yīng)力(大部分在0.3 MPa左右),其中靠近中腹板區(qū)域數(shù)值較大(0.7 MPa);底板下表面橫橋向主要為壓應(yīng)力(-0.3 MPa),在底板與腹板交界處出現(xiàn)拉應(yīng)力(0.1 MPa)。橫向正應(yīng)力分布是作為橫向框架的箱梁受熱上拱導(dǎo)致的。
圖8 主梁橫橋向正應(yīng)力
分析yz面內(nèi)剪應(yīng)力(見圖9)分布可以發(fā)現(xiàn),剪應(yīng)力沿主梁縱向分布比較均勻?!皽囟容^低區(qū)域I”與“溫度較高區(qū)域III”剪應(yīng)力方向相反,且沿腹板剪應(yīng)力方向發(fā)生變化。整個主梁斷面剪應(yīng)力數(shù)值均較小。
圖9 主梁yz面內(nèi)剪應(yīng)力
分析主梁主應(yīng)力(見圖10)可以發(fā)現(xiàn),由于頂板與中腹板交界處(區(qū)域Ⅳ)溫度變化較大,而網(wǎng)格間距有限,導(dǎo)致該處出現(xiàn)較大的應(yīng)力變化,主拉應(yīng)力分布規(guī)律與順橋向正應(yīng)力分布基本一致,即:“溫度較低區(qū)域I”主拉應(yīng)力較大(1.7 MPa),“溫度較高區(qū)域III”主拉應(yīng)力較小。分析主梁主壓應(yīng)力可以發(fā)現(xiàn):“溫度較高區(qū)域III”主壓應(yīng)力較大,大部分位置的主壓應(yīng)力均在-3.9 MPa以內(nèi),局部位置的主壓應(yīng)力達到-4.1 MPa。產(chǎn)生上述主應(yīng)力分布的原因是箱梁受到的剪應(yīng)力較小,主應(yīng)力主要是由正應(yīng)力決定的。
圖10 主梁主應(yīng)力
2.3 橫向節(jié)段模型結(jié)構(gòu)分析結(jié)果
主梁橫梁處橫橋向正應(yīng)力分布規(guī)律性較強(見圖11)。大體表現(xiàn)為:頂板上表面以受壓為主,壓應(yīng)力分布比較均勻,最大壓應(yīng)力約為-4.9 MPa;頂板下表面以受拉為主,靠近腹板加腋的位置拉應(yīng)力最大(2.2 MPa);底板上表面以受壓為主,壓應(yīng)力值約為-0.1 MPa;底板下表面以受壓為主,最大壓應(yīng)力約為-0.6 MPa;橫梁區(qū)域沿腹板向下由受拉變?yōu)槭軌?。產(chǎn)生這種應(yīng)力分布的原因是橫向框架中橫隔板對箱室變形產(chǎn)生約束,導(dǎo)致加熱膨脹區(qū)域受壓產(chǎn)生壓應(yīng)力。主梁非橫梁區(qū)域的橫橋向正應(yīng)力分布規(guī)律與橫梁區(qū)域相似。對比縱向計算模型的分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),縱向整體模型和橫向節(jié)段模型中,非橫梁區(qū)域的橫橋向正應(yīng)力分布規(guī)律大致相同,但由于橫梁處的約束作用較強,橫向節(jié)段模型中的計算結(jié)果比縱向整體模型中的計算結(jié)果略大。
圖11 橫梁處橫橋向正應(yīng)力圖
對于未敷設(shè)或未開啟發(fā)熱電纜的斜拉橋結(jié)構(gòu),冬季行車狀態(tài)需要同時考慮的荷載工況包括:恒載、收縮徐變、支座不均勻沉降、汽車活載、汽車沖擊力、溫度荷載和風(fēng)荷載等,其中溫度荷載包括整體降溫、斜拉索與塔和梁溫差、主梁日照溫差和主塔側(cè)面溫差等。開啟了發(fā)熱電纜的橋梁結(jié)構(gòu)與之相比:汽車活載由于使用行車道減少而有所減小,融冰雪溫度荷載與主梁日照溫差(即《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[13]推薦的梯度溫度荷載)不同,其他荷載基本一致。因此,可以通過對比融冰雪溫度荷載和規(guī)范梯度溫度荷載產(chǎn)生的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)的大小,對橋梁安全性進行分析。
在有限元分析模型中施加規(guī)范梯度溫度,得出梯度溫度作用下橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)(見表1)。對于順橋向應(yīng)力,在規(guī)范溫度荷載(綜合考慮日照正溫差和日照負溫差)下,主梁上緣(即頂板上表面)最大壓應(yīng)力為-5.5 MPa,最大拉應(yīng)力為2.75 MPa;電纜融冰荷載下,主梁上緣最大壓應(yīng)力為-4.1 MPa,最大拉應(yīng)力為2.0 MPa??梢?,對于主梁上緣而言,電纜融冰荷載產(chǎn)生的主梁應(yīng)力值小于規(guī)范溫度荷載產(chǎn)生的主梁應(yīng)力值。在規(guī)范溫度荷載下,主梁下緣(即底板下表面)最大拉應(yīng)力為0.8 MPa;電纜融冰荷載下,主梁下緣最大拉應(yīng)力為1.7 MPa??梢姡瑢τ谥髁合戮壎?,電纜融冰荷載產(chǎn)生的主梁應(yīng)力值略大于規(guī)范溫度荷載產(chǎn)生的主梁應(yīng)力值,通過直接比較不能判斷電纜融冰荷載下主梁下緣應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求。因此,需要將電纜融冰荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值與其他荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值進行組合,以衡量主梁下緣應(yīng)力值是否滿足規(guī)范要求,主梁下緣的應(yīng)力組合結(jié)果如圖12所示。從組合結(jié)果可見,電纜融冰荷載下,主梁下緣最大壓應(yīng)力為15.95 MPa,最大拉應(yīng)力為-1.7 MPa。壓應(yīng)力限值滿足σc≤0.50 fck,拉應(yīng)力值滿足σt≤0.70 ftk??梢?,主梁下緣正應(yīng)力滿足規(guī)范關(guān)于部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件的相關(guān)要求。
表1 主橋縱向整體計算主要計算結(jié)果表 MPa
對于位移、橫橋向正應(yīng)力和主應(yīng)力,電纜融冰溫度荷載與規(guī)范溫度荷載效應(yīng)基本相當(dāng)。
綜合考慮主梁位移、主梁順橋向正應(yīng)力、主梁橫橋向正應(yīng)力、主應(yīng)力等結(jié)構(gòu)響應(yīng),初步認為本文所述的電纜融冰雪方案產(chǎn)生的溫度荷載不會損壞橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。
本文以一座四塔五跨斜拉橋為工程背景,綜合考慮橋址處融冰雪需要熱負荷及電纜設(shè)計功率,推薦90 mm間距電纜鋪設(shè)方案,通過有限元數(shù)值模擬分析,研究了該方案溫度荷載對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響,得出了電纜融冰溫度荷載下橋梁結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布規(guī)律,并從結(jié)構(gòu)安全的角度對電纜除冰方案的可行性進行了初步評價。主要結(jié)論如下。
圖12 考慮融冰雪溫度荷載組合下主梁應(yīng)力
(1)熱力融冰雪溫度荷載作用下位移為向上30 mm,位于邊跨跨中。
(2)主梁應(yīng)力分布沿順橋向分布比較均勻;對于順橋向正應(yīng)力,“溫度較高區(qū)域III”以受壓為主,“溫度較低區(qū)域I”以受拉為主;對于橫橋向正應(yīng)力,頂板上表面和底板上表面橫橋向主要為拉應(yīng)力,頂板下表面和底板下表面橫橋向主要為壓應(yīng)力;“溫度較低區(qū)域I”與“溫度較高區(qū)域III”剪應(yīng)力方向相反,且沿腹板剪應(yīng)力方向發(fā)生變化;“溫度較低區(qū)域I”主拉應(yīng)力較大,“溫度較高區(qū)域III”主拉應(yīng)力較??;主梁“溫度較高區(qū)域III”主壓應(yīng)力較大。
(3)主梁橫梁處的橫向正應(yīng)力頂板上表面和底板以受壓為主,頂板下表面以受拉為主,非橫梁處的橫向正應(yīng)力分布與之相似。
(4)綜合考慮主梁位移、主梁順橋向正應(yīng)力、主梁橫橋向正應(yīng)力、主應(yīng)力等結(jié)構(gòu)響應(yīng),電纜融冰雪溫度荷載與規(guī)范溫度效應(yīng)基本相當(dāng),初步認為采用本文所述的電纜融冰雪方案產(chǎn)生的溫度荷載不會損壞橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。
(5)將本文給出的電纜融冰雪方法應(yīng)用于實踐尚需在電纜溫度監(jiān)測系統(tǒng)、橋面溫度過熱自動斷電保護等方面進行研究。
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U445.7
A
1009-7716(2017)03-0199-05
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.055
2017-02-23
湖南省交通運輸廳科技進步與創(chuàng)新項目(201413)
劉凌志(1976-),男,湖南長沙人,工程師,從事公路工程管理工作。