陳 釩， 蒲文明， 趙國(guó)軍， 王 超

(中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100000)

混凝土空心薄壁高橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)分析

陳 釩， 蒲文明， 趙國(guó)軍， 王 超

(中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100000)

為了研究日照溫差荷載對(duì)混凝土空心薄壁高墩的影響，文章以重慶柴家溝大橋?yàn)楸尘?，通過對(duì)橋址處大氣溫度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、風(fēng)速，以及對(duì)橋墩中預(yù)埋溫度、應(yīng)變傳感器的測(cè)試，得到橋墩在最不利天氣中24 h的溫度分布及應(yīng)力分布情況的實(shí)測(cè)值。并與通過有限元計(jì)算得到相應(yīng)的理論值做對(duì)比分析，研究日照溫差效應(yīng)對(duì)混凝土空心薄壁高墩的影響程度，為今后混凝土空心薄壁高墩的設(shè)計(jì)、施工提供參考依據(jù)。

空心薄壁墩； 溫度場(chǎng)； 溫度效應(yīng)； 有限元； 應(yīng)力

在60 m以上的高墩橋梁中大多采用鋼筋混凝土空心薄壁墩?？招谋”诙湛梢怨?jié)省材料、減輕自重、抗扭慣性矩較大、用于高墩穩(wěn)定性較好，但因其對(duì)溫度變化敏感，特別是日照溫度效應(yīng)對(duì)橋墩的應(yīng)力和變形的影響較大[1-3]。因此，對(duì)施工過程中的橋墩，分析其在日照溫差較大或者太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的不利天氣里的溫度場(chǎng)、應(yīng)力分布及位移是十分必要的。本文以重慶柴家溝大橋?yàn)楸尘?，分析研究?9 m高、壁厚0.5 m的混凝土空心薄壁橋墩在日照溫差作用下的溫度效應(yīng)。

1 工程概況

柴家溝大橋位于重慶市忠縣金雞鎮(zhèn)白龍村，左幅橋3#～7#墩一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用40 m預(yù)應(yīng)力混凝土后張T梁，先簡(jiǎn)支后連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土薄壁空心橋墩，承臺(tái)樁基礎(chǔ)，樁基為嵌巖樁。橋面凈寬為2×凈-10.75 m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-I級(jí) 。橋址處氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性溫濕氣候，四季分明，氣候溫和，日照充足，雨量充沛，具夏秋多雨、冬春多霧的特點(diǎn)。多年內(nèi)年平均氣溫18.1 ℃。降雨多集中在每年的5～9月，約占每年降雨總量的70 %。

柴家溝大橋設(shè)計(jì)線路走向236°，設(shè)計(jì)橋面高程618.56～613.78 m。橋位區(qū)地形較平緩，地形坡角5°～25°，梁平岸橋臺(tái)為橋位區(qū)最高點(diǎn)，地面高程639.10 m；最低點(diǎn)位于K47+623左側(cè)溪溝出水口處，地面高程529.50 m，相對(duì)高差100.60 m。

混凝土空心薄壁墩溫度效應(yīng)最不利情況主要由不均勻溫度分布引起，引起橋墩溫度不均勻分布的主要因素為日照。本文通過有限元分析與實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式，研究最高墩4#墩(高79 m、壁厚0.5 m)在日照荷載下的溫度分布、應(yīng)力分布及墩身位移。4#墩采用C30混凝土，橋墩截面沿軸線方向?qū)挾葹? m(墩頂)～4.58 m(墩底)，從墩底到墩頂變化范圍為0～158 cm，截面橫橋向?qū)? m，壁厚0.5 m，倒角0.3 m×0.3 m。墩身順橋向按100∶1放坡，橫隔板按間距10 m布置，并開設(shè)200×80 cm的人孔，泄水孔、通氣孔直徑10 cm。

2 測(cè)試斷面及測(cè)點(diǎn)布置

在4#橋墩墩高1/2及墩頂處布設(shè)溫度、應(yīng)力及位移測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行溫度場(chǎng)及其溫度效應(yīng)(溫度應(yīng)力、溫度位移)測(cè)試。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)避開鋼筋，因?yàn)殇摻詈突炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)相差很大，如果測(cè)點(diǎn)埋設(shè)在鋼筋上，測(cè)量的溫度不能反映混凝土的溫度。在橋墩截面上沿4個(gè)墩壁各布置4條測(cè)線，每條測(cè)線上埋設(shè)5個(gè)溫度傳感器，其中4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)沿外表面每間隔5 cm布設(shè)一個(gè)，1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)布設(shè)在距離內(nèi)壁5 cm處。溫度測(cè)點(diǎn)布置見圖1。4#墩應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置見圖2，測(cè)點(diǎn)距離外邊緣15 cm。

圖1 溫度測(cè)點(diǎn)布置

圖2 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

選擇合適的天氣進(jìn)行測(cè)試，即連續(xù)3 d晴天以上、風(fēng)速小于2 m/s。結(jié)合施工進(jìn)度及測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，本文選擇研究的日期為2015年8月30日，當(dāng)日最高溫度33 ℃，最低溫度20 ℃，最大溫差13 ℃，當(dāng)日最大風(fēng)速2 m/s。

3 混凝土薄壁空心橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)有限元分析

采用ANSYS有限元軟件建立4#橋墩的有限元模型(圖3)，對(duì)橋墩溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)進(jìn)行分析。由于溫度沿橋墩高度方向上的變化很小，測(cè)試結(jié)果顯示溫差不到2 ℃，因此采用二維有限元模型模擬橋墩截面，采用Plane55單元。計(jì)算當(dāng)日最大溫差為13 ℃，最高溫度33 ℃，最低溫度20 ℃，橋址處東經(jīng)107°58′、北緯30°18′。4#墩處橋梁線路走向與正北方向夾角231°31′。地面環(huán)境短波反射系數(shù)取0.2，模型表面輻射率取0.9，模型表面太陽(yáng)短波輻射吸收率取0.65，大氣及地表環(huán)境的輻射率取0.82，空心墩內(nèi)對(duì)流熱交換系數(shù)取3.8。

4 測(cè)試結(jié)果及理論分析

4.1 溫度測(cè)試結(jié)果及分析

4#橋墩溫度變化最大的位置出現(xiàn)在西南墩壁外側(cè)，即1-1測(cè)點(diǎn)，24 h內(nèi)不同時(shí)刻測(cè)點(diǎn)溫度分布見表1。從表1可以看出，4#墩位于西南方向的外側(cè)面測(cè)點(diǎn)1-1變化幅度最大，最高溫度出現(xiàn)在17:00，達(dá)到50.8 ℃，最低溫度出現(xiàn)在6:00，為34.4 ℃。24 h溫差達(dá)到16.4 ℃，實(shí)測(cè)溫差最大16.5 ℃。位于東北面的外側(cè)面測(cè)點(diǎn)2-1，最低溫度出現(xiàn)在6:00，為28.9 ℃，最高溫度出現(xiàn)在16:00～18:00，為34.7 ℃。實(shí)測(cè)值和理論計(jì)算值差值均在1.6 ℃以內(nèi)。

4#墩西南面1-1測(cè)點(diǎn)、東北面2-1測(cè)點(diǎn)24 h溫度變化曲線見圖4。從圖4中可以看出，橋墩西南壁面外表面溫度一直高于東北面，且在日照作用下溫度上升較快，這是由于西南面日照時(shí)間較長(zhǎng)，且日照強(qiáng)度較高。實(shí)測(cè)溫度與理論計(jì)算溫度吻合較好。4#墩西南面1-1測(cè)點(diǎn)和東北面2-1測(cè)點(diǎn)在同一時(shí)刻最大溫差出現(xiàn)在17:00，為16.1 ℃。

圖4 4#墩外表面測(cè)點(diǎn)24 h溫度變化

4#墩西南面1-5測(cè)點(diǎn)、東北面2-5測(cè)點(diǎn)24 h溫度變化曲線見圖5。從圖5中可以看出，橋墩西南面內(nèi)表面附近溫度一直高于東北面，但溫差不大，最大溫差為3.6 ℃，出現(xiàn)在23:00～3:00，溫度變化比較平穩(wěn)，且溫度變化規(guī)律與外表面溫度有一定程度的滯后，說明混凝土材料的導(dǎo)熱性較差。

圖5 4#墩內(nèi)表面測(cè)點(diǎn)24 h溫度變化

4#橋墩西南面壁面(1-1測(cè)線)24 h內(nèi)不同時(shí)刻的溫度分布見圖6。從圖6中可以看出，4#橋墩西南壁面外表面在16:00溫度達(dá)到最高值，為54.8 ℃，隨后開始降溫。厚度為50 cm的空心薄壁墩在距離外表面30 cm范圍內(nèi)溫度變化明顯，橋墩一日內(nèi)最低溫度出現(xiàn)在6:00。

圖6 橋墩西南面壁面(1-1測(cè)線)24 h內(nèi)不同時(shí)刻的溫度分布

4#橋墩西南壁面1-1測(cè)線5個(gè)測(cè)點(diǎn)24 h溫度歷程見圖7。從圖7中可以看出，外側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度最先達(dá)到最高值，隨著測(cè)點(diǎn)距離外表面越來(lái)越遠(yuǎn)，測(cè)點(diǎn)溫度達(dá)到最高值的時(shí)間有延遲。靠近內(nèi)表面的溫度測(cè)點(diǎn)1-5的變化趨勢(shì)與外側(cè)測(cè)點(diǎn)滯后較多，且溫度變化不大。

圖7 1-1測(cè)線5個(gè)測(cè)點(diǎn)24 h溫度歷程

4.2 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析

應(yīng)力傳感器布設(shè)位置處實(shí)測(cè)應(yīng)力及理論應(yīng)力見表2。由表2可以看出，1測(cè)點(diǎn)(橋墩西南方向墩壁靠外側(cè)中部)的沿長(zhǎng)邊方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在5:00，為1.25 MPa，5測(cè)點(diǎn)(橋墩東北方向墩壁靠外側(cè)中部)的沿長(zhǎng)邊方向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在6:00，為1.00 MPa。各應(yīng)力測(cè)點(diǎn)有限元分析的理論值和實(shí)測(cè)值偏差均在9 %以內(nèi)。

表2 4#墩溫度應(yīng)力

由于應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布設(shè)的限制，沒能測(cè)到橋墩表面最大拉應(yīng)力。借助有限元軟件，可以分析得到：4#墩外表面沿橋墩平面長(zhǎng)邊方向最大溫度應(yīng)力為2.506 MPa，出現(xiàn)在西南面外表面靠近南方角點(diǎn)附近，時(shí)間約在4:00；4#墩外表面沿橋墩平面短邊方向最大溫度應(yīng)力為2.216 MPa，出現(xiàn)在東南面外表面靠近南方角點(diǎn)附近。

4.3 位移測(cè)試結(jié)果及分析

墩頂位移24 h變化曲線見圖8。墩頂橫橋向位移最大值出現(xiàn)在13:00，為15 mm(實(shí)測(cè)值為10 mm)，順橋向位移最大值出現(xiàn)在11:00,為25 mm(實(shí)測(cè)值為20 mm)，絕對(duì)位移最大值出現(xiàn)在11：00，為28.0 mm(實(shí)測(cè)值為22 mm)，28/79000=1/2821。施工規(guī)范中橋墩垂直度質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是0.3 %H且不大于20 mm。4#墩的0. 3 %H=237 mm，且不大于20 mm，只能取20 mm。而當(dāng)日照溫差為13 ℃的時(shí)候，溫度位移已達(dá)到28.0 mm，超過規(guī)范值，因此施工規(guī)范中橋墩垂直度的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于高墩是不適用的。理論值與實(shí)測(cè)值符合較好，理論值均大于實(shí)測(cè)值，這是由于理論值的邊界條件比實(shí)際情況更絕對(duì)。

圖8 墩頂位移24 h變化曲線

5 結(jié)論

通過有限元法分析柴家溝大橋4#墩在日照溫度作用下的溫度場(chǎng)及應(yīng)力、位移并采用實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，說明有限元分析模擬的有效性。在溫差13 ℃的晴天，柴家溝大橋4#墩最大截面溫差為16.1 ℃，日照溫度產(chǎn)生的溫度應(yīng)力最大值為2.506 MPa，溫度產(chǎn)生的最大位移為 28.0 mm，超過施工規(guī)范中橋墩垂直度的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范值。因此施工規(guī)范中橋墩垂直度的質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于高墩是不適用的，這說明在設(shè)計(jì)和施工過程中對(duì)橋墩進(jìn)行日照溫度效應(yīng)分析是必要的。

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[定稿日期]2017-11-13

陳釩(1972～)，男，碩士研究生，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事橋梁工程技術(shù)工作。

TU33+8

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