劉麗思，李曉章，丁浩

（1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

工程界發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)頻繁產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)安全隱患，每年對此類結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固、重建，造成了昂貴的經(jīng)濟(jì)開支，因此工程界針對裂縫問題展開了一系列研究，研究表明混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時不可忽視溫度作用，本文依托滇西南某工程，進(jìn)行了溫度場和位移場的多物理場分析，總結(jié)混凝土箱梁的溫度應(yīng)力規(guī)律，并且對溫度效應(yīng)的處置措施進(jìn)行研究。本文相關(guān)研究，為今后混凝土箱梁設(shè)計(jì)、養(yǎng)護(hù)提供參考價(jià)值，對日照環(huán)境下混凝土箱梁的抗裂性和耐久性具有一定的指導(dǎo)意義。

1 溫度場計(jì)算理論

1.1 熱傳導(dǎo)方程

溫度場的建立滿足質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律，本文基于傅里葉熱傳導(dǎo)定律建立混凝土瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程，如下：

1.2 邊界條件

在自然條件下，結(jié)構(gòu)的溫度場邊界示意圖如下圖1所示[1]。上述邊界條件計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[2]。

圖1 箱梁邊界溫度荷載示意圖

2 模型建立

2.1 數(shù)值模型材料參數(shù)

本文依托工程為滇西南某簡支混凝土箱梁橋，上部混凝土箱梁截面圖如下圖2 所示。

圖2 混凝土箱梁截面圖（cm）

箱梁斷面尺寸頂板寬12m，厚0.6m，底板寬6.5m，厚0.8m，總高5.5m，懸臂長度2.75m，最外側(cè)厚0.2m，通過兩 個 倒 角1.7m×0.32m 和1.05m×0.45m 變化懸臂根部厚0.77m，腹板厚度0.8m，箱室內(nèi)倒角均為0.5m×0.5m，混凝土等級為C50。

本文研究混凝土日照溫度效應(yīng)時C50 混凝土各參數(shù)取值如下表1 所示：

表1 溫度場混凝土參數(shù)取值表

2.2 邊界條件計(jì)算

根據(jù)前文分析，溫度場三種邊界計(jì)算時一般統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為對流換熱，通過綜合換熱系數(shù)將太陽總輻射量轉(zhuǎn)換為等效環(huán)境溫度。如圖3 所示，當(dāng)計(jì)算箱梁外表面綜合換熱系數(shù)時，風(fēng)速取當(dāng)天記錄風(fēng)速3m/s，箱梁各表面綜合換熱系數(shù)如下表2 所示。

表2 箱梁各表面綜合換熱系數(shù)（W/（m2·℃））

圖3 箱梁各面綜合環(huán)境溫度

3 日照效應(yīng)研究

3.1 應(yīng)力分析

結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小是衡量結(jié)構(gòu)安全與否的一個重要指標(biāo)，本節(jié)對日照效應(yīng)產(chǎn)生的第一主應(yīng)力進(jìn)行研究，提取一日內(nèi)各時刻的箱梁第一主應(yīng)力繪制曲線圖如下圖4所示，一日內(nèi)的日照峰值應(yīng)力如圖5 所示。

圖4 應(yīng)力時程圖

圖5 峰值應(yīng)力云圖

由上圖4 可知，從早上6 點(diǎn)時刻太陽升起時會產(chǎn)生0.17MPa 的拉應(yīng)力，隨著太陽升起溫度逐步升高，陰陽面腹板溫度差值增大，頂板溫度也隨之增高，到14 點(diǎn)時一天內(nèi)溫度最高，同時拉應(yīng)力也達(dá)到最大值5.01MPa，經(jīng)過14 點(diǎn)時刻后，混凝土箱梁所產(chǎn)生的拉應(yīng)力值逐漸減小。

由圖5 可知，混凝土箱梁一日內(nèi)產(chǎn)生的峰值拉應(yīng)力為5.01MPa，可作為日后設(shè)計(jì)三向預(yù)應(yīng)力箱梁時橫向和豎向預(yù)應(yīng)力束的控制應(yīng)力。最大拉應(yīng)力位置出現(xiàn)在陽面腹板內(nèi)表面與頂板內(nèi)表面相交處的倒角位置，這是因?yàn)殛柮娓拱宓臏囟缺汝幟娓拱鍦囟雀?，產(chǎn)生的熱膨脹就更大，與頂板熱膨脹疊加后，最大拉應(yīng)力位置就會出現(xiàn)在偏陽面腹板處，不僅最大拉應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在偏陽面腹板位置，且陰陽面腹板產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域也呈現(xiàn)出陽面腹板側(cè)偏大。

3.2 處置措施研究

研究表明將油漆涂抹至混凝土表面可對可見光和近紅外光進(jìn)行高反射，改變混凝土表面輻射吸收率[3]，使物體表面吸收的太陽光能量減少，物體累積的熱量減少，達(dá)到控制結(jié)構(gòu)溫度的作用。將混凝土表面涂為白色，混凝土表面輻射吸收系數(shù)可由0.6 降低至0.12-0.16 之間[4-5]。本節(jié)假設(shè)將箱梁陽面位置涂抹為白色，其他位置顏色保持不變，來研究涂抹油漆的措施對混凝土結(jié)構(gòu)濕熱效應(yīng)的控制效果。

為了研究表面涂抹白色油漆的措施對混凝土結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的控制效果，列出箱梁在一日內(nèi)的峰值應(yīng)力云圖，如下圖6 所示。

圖6 峰值應(yīng)力云圖

由圖6 可知，在陽面腹板涂抹為白色后，箱梁產(chǎn)生最大拉應(yīng)力的位置同樣出現(xiàn)在陽面腹板內(nèi)表面與頂板內(nèi)表面相交處的倒角位置，但應(yīng)力值從5.01MPa 降低至1.66MPa，溫度應(yīng)力減小了66.8%。結(jié)果說明在結(jié)構(gòu)外表面涂抹白色染料，不會改變結(jié)構(gòu)日照效應(yīng)產(chǎn)生最大拉應(yīng)力的位置，但能夠調(diào)節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)表面輻射吸收系數(shù)，降低結(jié)構(gòu)吸收的太陽能，有效減小日照效應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力的數(shù)值，達(dá)到控制混凝土溫度效應(yīng)的效果。在后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工時，可在結(jié)構(gòu)外表面涂抹白色等淺色油漆，來達(dá)到控制混凝土溫度次內(nèi)力的作用，同時使用淺色油漆在建筑物外表面繪制圖案，使建筑物更加美觀，符合中國安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的建筑方針。

4 結(jié)論

為了研究混凝土箱梁橋的日照溫度效應(yīng)，本文依托滇西南某工程，運(yùn)用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行溫度場和位移場的多物理場分析，得到結(jié)論如下：

（1）混凝土箱梁溫度效應(yīng)的變化規(guī)律是隨著一日內(nèi)太陽位置的變化而變化，隨著太陽升起而急速增大，太陽降落后又急速減?。?/p>

（2）混凝土箱梁溫度效應(yīng)最大拉應(yīng)力發(fā)生在陽面腹板內(nèi)表面與頂板內(nèi)表面相交的倒角位置，達(dá)到5.01MPa，可作為預(yù)應(yīng)力箱梁在設(shè)計(jì)橫向預(yù)應(yīng)力和豎向預(yù)應(yīng)力的參考應(yīng)力；

（3）在混凝土結(jié)構(gòu)外表面涂抹白色等淺色油漆，能夠有效減小溫度效應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力的數(shù)值，達(dá)到控制混凝土溫度效應(yīng)的效果。