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        薄壁空心墩日照實(shí)測溫度場及仿真分析

        2019-07-20 09:39:12王家棟彭建鋒
        四川建筑 2019年6期
        關(guān)鍵詞:太陽輻射日照薄壁

        王家棟,梁 凱,彭建鋒,黎 平,瞿 浩

        (1.西南交通大學(xué),四川成都610000; 2.中建三局第二建設(shè)工程有限責(zé)任公司,湖北武漢430000)

        薄壁空心墩具有截面形式簡單,傳力明確,經(jīng)濟(jì)合理的優(yōu)點(diǎn),廣泛被運(yùn)用在山區(qū)、丘陵及市政高架橋下部結(jié)構(gòu)中,研究及使用發(fā)現(xiàn)其受溫度影響不容忽視。

        橋墩長期暴露于自然環(huán)境中,在漫長的使用周期內(nèi)受到太陽輻射、氣溫變化等環(huán)境因素作用,會(huì)導(dǎo)致橋墩產(chǎn)生不均勻溫度場,這類溫度場為瞬時(shí)變化并有非線性分布特征[1],從而導(dǎo)致橋墩彎曲變形[2]。目前對日照溫差研究多集中于上部結(jié)構(gòu)[3-4],對于下部結(jié)構(gòu)的研究較少,對橋墩的日照溫差亦無規(guī)范規(guī)定。

        本文以石門特大橋?yàn)楣こ桃劳校诟道~導(dǎo)熱定律[5]得出墩的傳熱邊界條件,并采用 ADINA 對空心墩截面溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬,計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行比較,驗(yàn)證有限元結(jié)果的正確性。

        1 工程概況及測點(diǎn)布置

        石門特大橋是一座高墩、寬幅多箱、長連續(xù)的鋼-混凝土組合箱梁橋,地處張家口市涿鹿縣中部,屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,太陽輻射強(qiáng)度大,晝夜溫差大。選取其中第25#橋墩作為研究對象,25#橋墩高96.7 m,橋墩為塔型變截面矩形空心墩,單箱雙室。豎向共分為上中下三段,上部截面寬8 m(橫橋向)×厚2.6 m(縱橋向),中部截面寬8m(橫橋向)×厚3.6 m(縱橋向),下部截面寬8 m(橫橋向)×厚4.6 m(縱橋向),各截面變化處設(shè)置一道橫隔。各標(biāo)準(zhǔn)段外壁厚0.6 m,內(nèi)壁厚0.6 m。

        本次試驗(yàn)選取離底面7 m的位置布置測點(diǎn),一共布置16個(gè)測點(diǎn)。具體布置見圖1。

        圖1 測點(diǎn)布置

        其中太陽光從早晨7時(shí)左右到中午12時(shí)左右照射到墩的東面與南面,從中午12時(shí)左右到下午5時(shí)左右照射到墩的西面與南面。

        2 實(shí)測數(shù)據(jù)和分析

        25#墩于2017年10月27號(hào)開始澆筑,為了剔除水化熱的影響,從11月11日開始記錄日照溫度數(shù)據(jù),選取其中5 d的數(shù)據(jù)分析。期間天氣均為晴朗天氣,平均風(fēng)速在3級左右。

        從圖2來看,11月12日的最高溫度達(dá)到9.2 ℃。且溫度上升速度快,可見太陽輻射強(qiáng)度對空心墩溫度影響較大,從圖中數(shù)據(jù)及其規(guī)律可以發(fā)現(xiàn):

        (1)由于整體氣溫下降,所有實(shí)測點(diǎn)溫度曲線總體呈下降趨勢,但是受日照影響呈現(xiàn)顯著的隨日照波動(dòng)。

        (2)同一測點(diǎn),單日內(nèi)最大溫差4.2 ℃,發(fā)生在12#測點(diǎn)。

        (3)同一壁厚,單日最大溫差3.5 ℃,發(fā)生在南面。

        (a) 1#~4#測點(diǎn)

        (b) 5#~8#測點(diǎn)

        (c) 9#~12#測點(diǎn)

        (d) 13#~16#測點(diǎn)圖2 11月11日~11月15日四面測點(diǎn)溫度變化

        3 傳熱邊界條件分析

        在對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)與外界熱交換主要分為三種:太陽輻射、輻射換熱、對流換熱。文獻(xiàn)[6]利用半理論半經(jīng)驗(yàn)公式對傅利葉傳熱方程進(jìn)行簡化,可近似計(jì)算輻射量。

        3.1 太陽輻射

        太陽輻射與結(jié)構(gòu)所在的地理方位、地形條件、氣候狀態(tài)等有關(guān),最后得到太陽輻射總量qs為:

        qs=I0Pmcosφ

        (1)

        其中I0為太陽常數(shù),其計(jì)算公式為:

        (2)

        式中:N為自1月1日起算的日序數(shù)。

        式(1)中:P為復(fù)合大氣透明度系數(shù),受空氣成分以及海拔高度等復(fù)雜因素影響,具有強(qiáng)烈的地區(qū)差別,需要根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)通過統(tǒng)計(jì)分析,提出經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式;m為光學(xué)質(zhì)量,某時(shí)太陽光線路程與太陽高度角為90 °(即太陽位于正天頂)時(shí)光程路徑的比值,該值隨時(shí)間的變化而變化;φ為太陽入射角。

        3.2 輻射換熱

        實(shí)際物體的輻射能力見公式:

        El=εC0(273+T)4

        (3)

        其中ε表示物體的發(fā)射率,一般來說ε隨溫度變化,對于混凝土表面,可近似取值為0.90。C0為Stefan-Boltzmann常數(shù),取值為5.67×10-8W/(m2·K4)。

        通過輻射從外界通過混凝土表面進(jìn)入內(nèi)部的熱流密度qr為:

        qr=hr(Ta-T)

        (4)

        Ta、T分別為空氣溫度和混凝土表面溫度;其中hr的計(jì)算公式如下:

        hr=εC0(546+Ta+T)[(273+Ta)2+(273+T)2]

        (5)

        3.3 對流換熱

        混凝土表面與外界大氣對流換熱規(guī)律遵循牛頓冷卻定律,對流換熱從外界通過混凝土表面流入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱流密度qc公式為:

        qc=hc(Ta-T)

        (6)

        式中:hc與表面形狀、風(fēng)速、周圍空氣溫度等因素有關(guān),當(dāng)外界風(fēng)速ν≤5.0 m/s時(shí),可以采用Jurges-Nusselt公式進(jìn)行計(jì)算:

        (7)

        3.4 總傳熱邊界

        根據(jù)上述混凝土結(jié)構(gòu)與外界熱交換的計(jì)算公式,可以建立相對完整的傳熱邊界。邊界熱交換主要包括太陽輻射qs、對流換熱qc以及輻射換熱qr三項(xiàng)之和。故完整的傳熱邊界條件為:

        (8)

        4 數(shù)值模擬分析

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[7],墩沿高度方向的溫度變化不大,故可將墩的溫度場問題轉(zhuǎn)化成2維問題。主要考慮太陽輻射、對流換熱和輻射換熱的影響。在ADINA中太陽輻射可通過施加熱流密度荷載的方式來模擬;對流換熱是將邊界定義為對流邊界,然后定義換熱系數(shù);輻射換熱是將邊界定義為輻射邊界,然后定義表面反射系數(shù)。

        根據(jù)混凝土配合比和相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)定混凝土相關(guān)系數(shù):混凝土導(dǎo)熱系數(shù)2.4 w/(m·K),太陽輻射吸收率AS=0.6,長波輻射發(fā)射率Al=0.88,密度2 400 kg/m3,比熱930 J/kg[8-12]。

        為驗(yàn)證軟件的正確性,取軟件計(jì)算結(jié)果與部分實(shí)測測點(diǎn)數(shù)據(jù)相比較,由于空心墩的南面為太陽直射面,溫差波動(dòng)較大,故選取9#~12#測點(diǎn),具體見圖3。

        可見計(jì)算值與實(shí)測值吻合良好,數(shù)值差距不超過0.5 ℃。

        (a) 9#測點(diǎn)

        (b) 10#測點(diǎn)

        (c) 11#測點(diǎn)

        (d) 12#測點(diǎn)圖3 11月12日南面測點(diǎn)溫度變化

        4.1正溫差梯度

        根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果得出,最大正溫差出現(xiàn)在11月12日14∶00左右,該時(shí)刻的溫度分布云圖見圖4。

        圖4 最大正溫差溫度云圖

        最高溫度出現(xiàn)在東南方向的角隅處,大小為13.16 ℃;最低溫度出現(xiàn)在西北方向的角隅處,大小為6.63 ℃。

        為研究空心墩的冬季最大正溫度梯度,取南面沿壁厚的溫度分布數(shù)據(jù),結(jié)果見圖5。

        圖5 最大正溫差梯度

        外表面溫度為12.01 ℃,內(nèi)表面溫度為7.87 ℃,最低溫度出現(xiàn)在距外壁0.39 m處,大小為7.72 ℃,最大溫差為4.26 ℃。

        4.2 負(fù)溫差梯度

        最大負(fù)溫差出現(xiàn)在11月14日的5:00左右,該時(shí)刻的溫度分布見圖6。

        圖6 最大負(fù)溫差溫度云圖

        最高溫度出現(xiàn)在內(nèi)壁中間處,大小為8.24 ℃;最低溫度出現(xiàn)在西北方向的角隅處,大小為-1.38 ℃。

        為研究空心墩的冬季最大負(fù)溫度梯度,取南面沿壁厚的溫度分布數(shù)據(jù),得出結(jié)果見圖7。

        外表面溫度為1.80 ℃,內(nèi)表面溫度為7.29 ℃,最高溫度出現(xiàn)在距外壁0.54 m處,大小為7.34 ℃,最大溫差為5.49 ℃。

        5 結(jié)論

        (1) 通過對混凝土薄壁空心墩冬季的日照溫度變化觀測,得出橋墩受日照影響最大的是中午14∶00左右受日照直射的薄壁空心墩表面,由因日照溫度有較大升高,而薄壁空心 墩內(nèi)部為密閉空間,空氣流動(dòng)困難,造成墩身內(nèi)部與外部較大的溫差,實(shí)測獲得最大溫差4.26℃。

        (2)在正確選取熱傳導(dǎo)邊界之后,ADINA軟件數(shù)值仿真日照溫差曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)得出的溫差曲線吻合較好,可用于薄壁混凝土高墩日照溫度場的預(yù)測,為混凝土薄壁高墩設(shè)計(jì)和施工提供參考。

        (3)實(shí)測和仿真分析都反應(yīng)在截面角隅處對于溫度變化最為敏感,由于溫差引起得溫度應(yīng)力可能對薄壁空心墩結(jié)構(gòu)存在較大的混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn),在空心墩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予重視。

        (4)受施工條件限制,本次研究僅觀測了冬季環(huán)境下日照溫度情況。

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