周大為,鄧年春,郭 曉,石 拓

(廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,南寧 530004)

0 引 言

鋼管混凝土拱橋自20世紀(jì)90年代四川旺蒼東河大橋的建成后,因其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能在國(guó)內(nèi)得到迅速發(fā)展[1],對(duì)其溫度問(wèn)題的研究也隨之展開(kāi)。經(jīng)過(guò)幾十年的研究已經(jīng)取得一定的成果,但是針對(duì)青藏高原高海拔極端天氣頻發(fā)地區(qū)，結(jié)合實(shí)橋的研究卻很少。 根據(jù)1978—2004年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),青藏高原地區(qū)多年平均氣溫9.2 ℃,月平均最高和最低氣溫分別為16.6和0.3 ℃,極端最高和最低氣溫分別為32.0和-16.6 ℃,變化幅度達(dá)48.6 ℃。晝夜溫度變化大、極端天氣頻發(fā)等復(fù)雜的環(huán)境特點(diǎn),使得處于該地區(qū)的橋梁受溫度影響很大,不可忽視。外部溫度變化引起拱肋內(nèi)部溫度場(chǎng)變化,當(dāng)變形受到內(nèi)外條件約束時(shí)將產(chǎn)生較大的附加溫度應(yīng)力。

劉振宇等[2]對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)性能進(jìn)行了研究,并設(shè)計(jì)了對(duì)鋼管混凝土法向粘結(jié)強(qiáng)度的試驗(yàn),當(dāng)混凝土與鋼管之間的拉應(yīng)力大于法向粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),二者發(fā)生脫粘。李艷玲[3]采用溫度箱模擬了晝夜大溫差條件下鋼管混凝土截面的溫度分布及溫度效應(yīng),分析結(jié)果表明,溫差較大時(shí),鋼管和混凝土應(yīng)力應(yīng)變較為顯著,且鋼管數(shù)值大于混凝土,可能導(dǎo)致二者脫粘問(wèn)題的發(fā)生。祁強(qiáng)等[4]對(duì)西北地區(qū)大溫差條件下的鋼管混凝土構(gòu)件脫粘問(wèn)題進(jìn)行研究, 結(jié)果表明, 在大氣溫度作用下截面溫度呈現(xiàn)非線性分布, 大氣溫度的降低可能導(dǎo)致鋼管和混凝土脫粘問(wèn)題的發(fā)生。 靳忠強(qiáng)[5]對(duì)嚴(yán)寒環(huán)境下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),隨著溫度的降低, 鋼管和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度呈線性降低。 文獻(xiàn)[6-7]對(duì)鋼管混凝土拱橋年溫差溫度效應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算, 結(jié)果表明,降溫條件下鋼管混凝土拱腳處將產(chǎn)生較大的溫度內(nèi)力,其中混凝土產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力。

為研究此類(lèi)環(huán)境下溫度對(duì)橋梁的影響,以川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)該橋在實(shí)際大氣溫度日變化以及年溫差變化下溫度效應(yīng)進(jìn)行研究。

1 工程概況

川藏鐵路拉林段藏木雅魯藏布江特大橋采用一跨過(guò)江方案：主跨為430 m的中承式鋼管混凝土拱橋,全橋主梁為一聯(lián)五跨的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,孔跨布置為(39.6+32)m連續(xù)梁+430 m中承式鋼管混凝土拱橋+(28+34.6)m連續(xù)梁,橋梁總長(zhǎng)525.5 m。其拱肋截面采用四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結(jié)合的截面形式,上弦拱腳1.5節(jié)段和下弦拱腳3.5節(jié)段采用直徑1.8 m鋼管,其余拱肋節(jié)段采用直徑1.6 m鋼管。該橋位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣桑加峽谷內(nèi)。拱肋鋼管均采用Q420qENH,管內(nèi)灌注C60無(wú)收縮混凝土,腹桿和橫撐以及上下平聯(lián)均采用Q345qDNH,吊桿采用抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線制成,主梁連續(xù)梁梁部采用C55預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土,邊墩采用C40鋼筋混凝土。

2 有限元方法驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

為驗(yàn)證有限元法計(jì)算對(duì)大管徑鋼管混凝土拱肋的適用性, 采用足尺寸鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行溫度分布監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。 鋼管采用與藏木雅魯藏布江大橋管徑相同的1.6 m管徑, 壁厚10 mm; 為避免軸向產(chǎn)生熱傳導(dǎo), 管長(zhǎng)達(dá)2.0 m, 且上下層設(shè)置保溫層;管內(nèi)灌注C60無(wú)收縮混凝土。 用熱敏電阻型溫度傳感器沿徑向按等間距布置,截面沿豎向和橫向共布置13個(gè)溫度傳感器, 采用定位鋼筋骨架將其固定于包塑鋼絞線上。 溫度采集采用基康無(wú)線溫度采集系統(tǒng)， 溫度數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為10 min/次， 溫度采集系統(tǒng)見(jiàn)圖1。 測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

2.2 有限元計(jì)算分析

采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)截面溫度分布情況進(jìn)行分析。 假設(shè)鋼管混凝土構(gòu)件沿軸向不存在熱傳導(dǎo), 將三維空間溫度分布問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維平面問(wèn)題進(jìn)行分析。 采用平面熱分析PLANE55單元,并認(rèn)為鋼管和混凝土之間熱流連續(xù),劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。 本文研究目標(biāo)為大氣溫度循環(huán)作用下截面溫度分布情況, 故僅考慮對(duì)流換熱對(duì)截面溫度分布的影響。

對(duì)鋼管混凝土構(gòu)件進(jìn)行連續(xù)11 d無(wú)日照溫度分布計(jì)算以消除初始時(shí)刻截面非線性溫度分布的影響,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)證ANSYS對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)流換熱計(jì)算的適用性。11 d大氣溫度時(shí)程變化見(jiàn)圖4。

大氣溫度的日變化過(guò)程具有一定的規(guī)律性, 在分析過(guò)程中可以將其擬合為關(guān)于時(shí)間的連續(xù)正弦函數(shù),最高和最低氣溫采用11 d內(nèi)的平均最高和平均最低氣溫進(jìn)行計(jì)算。

圖1 大管徑鋼管混凝土拱橋模型溫度采集系統(tǒng)

圖2 鋼管混凝土構(gòu)件截面溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 有限元計(jì)算模型

圖4 大氣溫度實(shí)測(cè)值

式中:Tmax、Tmin為一天當(dāng)中最高和最低氣溫,℃;t表示所處時(shí)刻;t0表示影響日大氣溫度最高和最低溫度發(fā)生的中間時(shí)刻,如t0=9,則最高氣溫出現(xiàn)在下午15時(shí),最低氣溫出現(xiàn)在凌晨3時(shí)[8]。

表1為連續(xù)計(jì)算第10天不同時(shí)刻截面各測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比, 因取截面對(duì)稱(chēng)位置溫度數(shù)值相近， 故取1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)點(diǎn)選擇見(jiàn)圖3?？梢?jiàn),有限元計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合,邊緣測(cè)點(diǎn)溫度計(jì)算值稍大于實(shí)測(cè)值,主要是由于采用正弦函數(shù)對(duì)大氣溫度進(jìn)行擬合時(shí)部分時(shí)間點(diǎn)溫度計(jì)算值大于實(shí)測(cè)值,但數(shù)值相差不大。最外緣測(cè)點(diǎn)溫度變化與氣溫基本一致,本實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元計(jì)算方法的可行性。

3 晝夜大溫差溫度效應(yīng)分析

3.1 邊界條件

大氣溫度采用2.2節(jié)公式進(jìn)行擬合, 考慮到實(shí)際橋址相較于北京時(shí)差約2 h, 此處t0=11。 圖5為拱橋冬季和夏季現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)日氣溫變化和公式計(jì)算值的對(duì)比, 公式計(jì)算值溫度極值發(fā)生時(shí)刻較實(shí)測(cè)值有些許差異, 但大致可以反映橋址地區(qū)一天中大氣溫度的變化情況, 冬季晝夜溫差達(dá)到25 ℃, 遠(yuǎn)大于夏季的12 ℃。

鋼管混凝土拱橋的氣溫日變化溫度分析屬于對(duì)流換熱問(wèn)題。對(duì)流換熱系數(shù)h主要與風(fēng)速、換熱表面的幾何因素[9]和橋梁的布置情況有關(guān),其中起到控制作用的是風(fēng)速。文獻(xiàn)[10]推導(dǎo)出了固體表面在空氣中的換熱系數(shù), 考慮風(fēng)速的作用,將風(fēng)速作為參數(shù)

h=21.8+13.53v。

式中:v為風(fēng)速, m/s;h為空氣換熱系數(shù),kJ/(m2·h·℃)。

圖5 日氣溫變化曲線

表1 1～4號(hào)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻溫度計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比

為了得到最不利的溫度效應(yīng), 風(fēng)速應(yīng)為零,但風(fēng)速為零的此類(lèi)極端條件發(fā)生頻率極低[11]。 橋址地區(qū)冬季和夏季的平均風(fēng)速大致為1～3 m/s, 為了得到最不利狀況, 本文取風(fēng)速為1 m/s進(jìn)行分析[12]。

橋梁與周?chē)h(huán)境構(gòu)成十分復(fù)雜的熱傳遞系統(tǒng),全面考慮各種因素的影響很難實(shí)現(xiàn)也非必要,故在保證計(jì)算精度的前提下進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。在分析過(guò)程中假設(shè):考慮到鋼管混凝土拱橋沿縱橋向?yàn)榧?xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),沿軸向的溫度傳遞相較于橫向可以忽略,故將其簡(jiǎn)化為二維平面模型進(jìn)行分析[13]。

3.2 截面溫度分布分析

藏木雅魯藏布江特大橋上下弦管之間采用腹板連接,且上下游鋼管距離較大,故可簡(jiǎn)化為取拱肋上游下弦截面以分析四肢桁式和橫向啞鈴桁式相結(jié)合的截面形式,沿橋梁縱向共有3種截面形式見(jiàn)圖6。為了模擬實(shí)橋情況,分別對(duì)3種截面形式進(jìn)行大氣溫度日變化作用下的瞬態(tài)分析。

鋼管混凝土截面直徑1.6和1.8 m, 鋼管壁厚36 mm。 采用二維平面熱分析單元PLANE55單元進(jìn)行分析, 截面形式網(wǎng)格劃分以實(shí)腹式啞鈴形截面為例, 見(jiàn)圖7。 由冬季晝夜溫差遠(yuǎn)大于夏季, 故本文以冬季日氣溫變化, 連續(xù)進(jìn)行20 d瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析。

圖6 拱助截面形式

圖7 拱助各截面網(wǎng)格劃分

不同截面冬季循環(huán)大氣溫度作用下發(fā)生極值溫差的第473小時(shí)即第10日下午16:00左右,溫度分布情況見(jiàn)圖8。

由圖8a可知,大氣溫度作用下截面最不利溫度發(fā)生時(shí)刻與大氣溫度峰值時(shí)刻基本一致,且邊緣測(cè)點(diǎn)溫度變化與大氣溫度相近,可認(rèn)為截面溫差峰值發(fā)生與大氣溫度峰值同步,且截面溫度分布白天呈現(xiàn)內(nèi)低外高、夜間呈現(xiàn)外低內(nèi)高的狀態(tài),故晝夜變化間存在降溫溫差極值和升溫溫差極值。此外，分析結(jié)果還表明氣溫升溫導(dǎo)致的截面升溫溫差峰值較為顯著。

啞鈴形截面由于平聯(lián)的存在,減緩了部分鋼管和外部大氣對(duì)流換熱, 且由于混凝土導(dǎo)熱性能較差,使得兩側(cè)鋼管混凝土截面低溫區(qū)域凸向平聯(lián)側(cè)(圖8b)。

圖8 冬季日氣溫變化各拱助截面溫度分布

實(shí)腹式啞鈴形截面(圖8c)平聯(lián)內(nèi)灌注了混凝土, 混凝土導(dǎo)熱性能較差,得其截面溫度敏感性較低,故冬季日氣溫作用下截面最大梯度溫度達(dá)11.4 ℃發(fā)生在空腹式啞鈴形截面。由于混凝土和鋼管熱物理性能的差異,氣溫時(shí)刻變化,截面溫度場(chǎng)分布表現(xiàn)出高度的瞬時(shí)非線性特征。日氣溫作用下截面溫度分布主要有以下4種情況:①夜晚低氣溫時(shí)段呈現(xiàn)出溫度內(nèi)高外低;②白天高氣溫時(shí)段表現(xiàn)出內(nèi)低外高;③開(kāi)始升溫時(shí)刻表現(xiàn)出內(nèi)外高中間低;④開(kāi)始降溫時(shí)刻表現(xiàn)出內(nèi)外低中間高。

3.3 截面溫度效應(yīng)分析

采用ANSYS熱-固耦合進(jìn)行分析,用ETCHG命令將二維熱分析單元PLANE55轉(zhuǎn)化為二維結(jié)構(gòu)分析單元PLANE182,設(shè)置材料相應(yīng)力學(xué)屬性并設(shè)置求解選項(xiàng),讀取各荷載步下溫度場(chǎng)分析結(jié)果進(jìn)行溫度加載，進(jìn)而求得不同溫度分布狀態(tài)下的截面應(yīng)力?？崭故絾♀徯谓孛婀軆?nèi)混凝土在溫差極值時(shí)刻的徑向和環(huán)向溫度應(yīng)力情況見(jiàn)圖9。

圖9 空腹式啞鈴形截面混凝土溫度應(yīng)力

由計(jì)算結(jié)果可知,在截面梯度溫度作用下核心混凝土大面積產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力達(dá)1.12 MPa，混凝土和鋼管接觸處產(chǎn)生最大拉應(yīng)力為0.7 MPa。劉振宇等[2]通過(guò)設(shè)計(jì)彎拉法試驗(yàn)對(duì)鋼與混凝土法向粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析,認(rèn)為鋼與混凝土的法向粘結(jié)極限強(qiáng)度約為0.86 MPa,在晝夜循環(huán)大溫差荷載作用下,粘結(jié)截面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到法向極限粘結(jié)強(qiáng)度的80%,極易導(dǎo)致脫粘問(wèn)題的發(fā)生?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定C60混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為2.06 MPa。核心混凝土在循環(huán)溫度作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值的54.4%,循環(huán)溫度荷載作用下混凝土可能產(chǎn)生疲勞破壞,造成核心混凝土開(kāi)裂,對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響。

空腹式啞鈴形截面溫差極值時(shí)刻和某降溫時(shí)刻在截面溫度荷載作用鋼管變形情況見(jiàn)圖10。其中外圍為鋼管的變形示意圖：升溫時(shí)鋼受熱膨脹,溫度降低時(shí)鋼管收縮,在升降溫的循環(huán)過(guò)程中可能產(chǎn)生鋼管的永久變形;由于鋼管和混凝土熱膨脹系數(shù)相近但導(dǎo)熱性能相差較大,在較大的晝夜溫差作用下鋼管和核心混凝土溫差較大使得鋼管和核心混凝土變形不均;在循環(huán)溫度荷載作用下，可能造成鋼管和混凝土脫粘問(wèn)題的發(fā)生。

圖10 空腹式啞鈴形截面鋼管混凝土鋼管變形圖

4 較大年溫差橋梁溫度效應(yīng)分析

采用通用有限元分析軟件Midas Civil結(jié)合實(shí)橋分析在年溫變幅達(dá)48.6 ℃情況下拱肋截面混凝土應(yīng)力情況。

4.1 計(jì)算合龍溫度和有效溫度取值

鋼管混凝土拱橋的計(jì)算合龍溫度是環(huán)境溫度和管內(nèi)混凝土水化熱共同作用的結(jié)果,主要影響因素是管徑和水化28 d后的平均氣溫[14], 采用《鋼管混凝土拱擠技術(shù)規(guī)范》推薦的計(jì)算合龍溫度公式

T=T28+5D+T0-4.25。

其中,T28為混凝土澆筑28 d內(nèi)的平均氣溫,取月溫度平均值;T0是考慮水化熱的附加溫度值, 為3～5 ℃。

藏木雅魯藏布江特大橋管內(nèi)混凝土計(jì)劃灌注時(shí)間為2019年4月,該月平均最高氣溫為18 ℃,平均最低為3 ℃,故取月平均溫度T28=10.5 ℃,最終計(jì)算得出合龍溫度約為18.25 ℃。

有效溫度用于計(jì)算結(jié)構(gòu)在均勻溫度場(chǎng)作用下,結(jié)構(gòu)相對(duì)于基準(zhǔn)溫度的溫度變形與內(nèi)力，分為最高有效溫度和最低有效溫度[15]。參考前人計(jì)算方法,分析橋址極端氣溫情況,極端最高日氣溫和極端最低日氣溫分別為32.0和-16.6 ℃,升溫溫差13.75 ℃,降溫溫差-34.85 ℃。綜上分析,計(jì)算方法,出于設(shè)計(jì)安全方面考慮,實(shí)際計(jì)算取整體升溫15 ℃,整體降溫35 ℃進(jìn)行分析。

4.2 鋼管混凝土拱橋有效溫度效應(yīng)分析

采用大型通用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋有限元模型(考慮拱座),如圖11所示。拱肋、腹桿、橫聯(lián)、主梁等均采用梁?jiǎn)卧?吊桿采用只能拉壓的桁架單元。全橋模型共有3 212個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 689個(gè)單元。拱肋建立采用拱內(nèi)核心混凝土和鋼管共用節(jié)點(diǎn)的雙單元法。

結(jié)合橋梁所在地的實(shí)際環(huán)境情況,取3種分析工況如下: 工況1:恒載組合;工況2:恒載組合+整體升溫15 ℃;工況3:恒載組合+整體降溫35 ℃。各工況下拉薩岸拱腳截面混凝土應(yīng)力情況見(jiàn)表2。

圖11 全橋模型

由計(jì)算結(jié)果可知,恒載作用下拱腳混凝土全截面受壓;工況2和工況3作用下，部分上弦桿混凝土截面出現(xiàn)拉應(yīng)力,其中工況3作用下，4根上弦桿均產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力且最大拉應(yīng)力達(dá)到2.8 MPa。C60混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計(jì)值分別為2.85和2.04 MPa,在工況3降溫情況下極有可能造成混凝土開(kāi)裂問(wèn)題的發(fā)生。在實(shí)際工程中需對(duì)上弦桿產(chǎn)生的拉應(yīng)力予以重視,盡量降低橋梁的計(jì)算合龍溫度以規(guī)避較大的降溫而產(chǎn)生的不利影響或采取一定的構(gòu)造措施降低混凝土拉應(yīng)力。

4 結(jié) 論

對(duì)青藏高原地區(qū)一座鋼管混凝土拱橋進(jìn)行溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:

(1)橋址地區(qū)冬季晝夜最大溫差達(dá)25 ℃, 在較大的晝夜溫差作用下核心混凝土及混凝土和鋼管粘結(jié)處產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力, 最大拉應(yīng)力為1.12 MPa, 達(dá)混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的54%, 鋼管和混凝土粘結(jié)界面拉應(yīng)力達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度的80%。在循環(huán)氣溫荷載的作用下可能導(dǎo)致核心混凝土疲勞開(kāi)裂甚至鋼管和混凝土脫粘問(wèn)題的發(fā)生。在截面設(shè)計(jì)時(shí)，可在鋼管中輔以加勁肋等構(gòu)造措施,加勁肋深入混凝土內(nèi)部可起到減輕核心混凝土內(nèi)部溫度變化的遲滯性,同時(shí)增加鋼管和混凝土的粘結(jié)面,減輕脫粘問(wèn)題的發(fā)生。

(2)在日變化氣溫的作用下鋼管混凝土拱橋拱肋截面溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。 不同拱肋截面形式, 在相同的氣候環(huán)境下截面溫度表現(xiàn)出很大的差異性, 在進(jìn)行橋梁溫度分析時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬。 根據(jù)截面溫度分布狀況可以將截面溫度分布形式分為4種狀況: ①夜晚呈現(xiàn)出溫度內(nèi)高外低; ②白天表現(xiàn)出內(nèi)低外高; ③開(kāi)始升溫時(shí)刻表現(xiàn)出內(nèi)外高中間低;④ 開(kāi)始降溫時(shí)刻表現(xiàn)出內(nèi)外低中間高。

表2 各工況下拉薩岸拱腳混凝土應(yīng)力

(3)青藏高原地區(qū)溫差最大可達(dá)48.6 ℃,升降溫作用下拱腳截面部分上弦混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力,其中降溫情況下4根上弦桿混凝土均產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,且最大拉應(yīng)力可達(dá)2.8 MPa。實(shí)際工程中需對(duì)拱腳上弦桿混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力予以重視,盡量降低橋梁的計(jì)算合龍溫度以規(guī)避較大的降溫溫差而產(chǎn)生的不利影響或采取一定的構(gòu)造措施降低混凝土拉應(yīng)力。