单跨曲线箱梁桥的日照温度效应研究_张效军汇编.doc

单跨曲线箱梁桥的日照温度效应研究 甘肃智通科技工程检测咨询有限公司 摘 要：基于有限元理论,建立了单跨曲线箱梁桥的有限元模型.由某时刻实测温度值得到曲梁在这一时刻的温度场与温度分布.应用结构有限元分析软件Ansys热-结构耦合分析,得到曲梁在这一时刻的横向位移、挠度和各应力分量的变化规律曲线.同时详细分析了改变曲梁一端支承条件和同时改变两端支承条件时曲梁力学特性的变化规律,并总结出曲梁在日照温度荷载作用下的受力特点. 关键词：桥梁工程;力学特性;有限元法;曲线箱梁桥;温度效应;斜度 中图分类号：U448.42 文献标识码：A 0 引言 桥梁结构处在自然环境中,由于受大气温度的影响,其构件表面与内部各点的温度随时都在发生变化,构成了桥梁结构的温度场.当温致变形受到结构内部纤维的约束(非线性温度分布)和外部支承条件约束时,结构内部就会产生相当大的温度应力,其影响甚至超过活载[1].针对直线桥的日照温度效应分析,人们已进行了大量的研究工作[2-4].然而,对于复杂形式桥型日照温度效应研究则相对较少.与直线桥相比,曲线桥具有更加复杂的力学特性[5].目前,国内外通常采用基于结构力学的简化方法计算桥梁结构温度应力[1],我国现行的铁路和公路桥梁设计规范也是采用这种方法.新西兰学者HUNT和COOKE通过对混凝土箱形梁在竖向变温作用下温度应力计算方法进行研究,提出了基于热弹性理论的计算方法.然而,这些理论繁琐而复杂,对于复杂形式桥梁的计算显得无能为力.因此,通常采用差分法或有限元法分析桥梁结构的日照温度效应.本文应用结构有限元分析软件Ansys建立了单跨曲梁有限元模型,详细分析了曲梁在日照温度作用下的横向位移、挠度与应力的变化规律同,时分析了支承条件、斜度变化对曲梁力学特性的影响. 1 计算模型 本模型为曲率半径为90 m,圆心角为18°,两端为抗扭支承的单跨等截面混凝土曲线箱梁桥,横截面尺寸如图1所示,其中外侧(沿半径增大方向)为向阳侧.计算温度值采用某时刻实测温度值[4],计算该时刻的温度应力与位移.计算所用参数如表1所示.本文采用Ansys序贯耦合分析法,即首先进行热分析,得到桥梁结构在某时刻的温度分布,然后进入结构分析,把热分析的结果作为结构分析的荷载加在结构上,得到桥梁结构的温度应力与位移.本文热单元采用 solid95单元,结构单元采用solid90单元.全桥共划分为262 212个节点,51 688个单元.本文符号规定为：横向位移及径向位移以向外侧为正,向内侧为负;挠度以向上为正,向下为负;应力以受拉为正,受压为负. 2 力学特性分析 2.1 单跨曲梁在径向支承条件下力学特性分析 图2为曲梁温度分布云图,图中沿圆心角逆时针旋转的起始端和终止端分别为0# 墩和1# 墩,由图可知,顶板温度最高,背阳侧底板内表面温度最低,箱梁最大温差为19.72 ℃.在某些地区极端情况下温差会更大,这样在结构上会产生相当大的温差应力与位移,影响结构的正常使用,严重时甚至引起结构破坏而失效. 参数 数值 热传导系数 k/( W.·(m ·℃)-1) 2.71 比热 C/( J· (kg ·℃)-1) 963 对流系数 q/ J.· (m2 ·℃)-1 14 砼密度 ρ/(kg.· m-3) 2 550 砼弹性模量 E /MPa 10 000 线膨胀系数 α/(℃)-1 10-5 泊松比 μ 0.166 7 图1 箱梁断面 (单位：mm)  图2 曲梁温度分布云 图3 梁体径向位移变化曲线 图3-4分别为曲梁在日照温度作用下径向位移与横向位移沿桥梁纵向变化曲线.由图3-4可知,曲梁横向位移大于径向位移,增大幅度约为4.5%.径向位移和横向位移沿梁长不均匀分布,均存在最大值.其中顶板外侧位移大于顶板内侧和顶板中部位移,且顶板外侧上缘位移大于外侧下缘位移.径向位移与横向径向位移的最大值位于不同侧,径向位移最大值靠近跨中截面,横向位移最大值临近0# 墩侧.横向位移最大可达1.31 mm. 由图5可知,在日照温度荷载作用下(不计自重),曲梁有向上的挠曲变形.在本节边界条件下,顶板跨中截面中部上缘有最大挠度值,其值为5.79 mm,顶板外侧挠度值与顶板内侧值相差不大.不论顶板外侧、中部还是内侧,挠曲变形均关于跨中截面对称.  图6 横向应力沿梁横向变