钢混凝土叠合梁斜拉桥日照温度效应研究

1、钢混凝土叠合梁斜拉桥日照温度效应研究 斜拉桥是一种古老而新兴的桥型，种类较多，各有特色，构成了桥梁家族的一个庞大而活跃的分支。随着设计与施工经验的积累、新材料的涌现、理论工作的深入和计算机技术的完善，斜拉桥向着即轻又强、既长又刚的方向发展。目前，斜拉桥的抗风、抗震、抗撞以及本课题所关注的温度效应分析本课题所关注的温度效应分析等领域已成为桥梁科研领域的热门。 四方台大桥为双塔双索面支承体系叠合梁斜拉桥，全长，主桥长四方台大桥为双塔双索面支承体系叠合梁斜拉桥，全长，主桥长696m，其桥跨布置为其桥跨布置为44m+136m+336m+136m+44m,引桥长引桥长572.86m(主桥桥型图下图所主桥

2、桥型图下图所示示)。主桥采用了门式桥塔，南塔高，北塔高，桥面以上高度均为。距塔顶。主桥采用了门式桥塔，南塔高，北塔高，桥面以上高度均为。距塔顶25m和和92m分别设一道横梁和牛腿。主梁截面以两工字钢边梁肋、横梁及中间分别设一道横梁和牛腿。主梁截面以两工字钢边梁肋、横梁及中间小纵梁与混凝土桥面板形成组合截面。两工字钢边梁肋间距为，工字钢梁高为，小纵梁与混凝土桥面板形成组合截面。两工字钢边梁肋间距为，工字钢梁高为，上下翼缘宽度均为。桥面板为混凝土实心板，厚，通过布置在钢主梁及钢横梁上下翼缘宽度均为。桥面板为混凝土实心板，厚，通过布置在钢主梁及钢横梁顶的剪力钉与钢梁结合。斜拉索为采用热挤聚乙烯钢缆，

3、中间为顶的剪力钉与钢梁结合。斜拉索为采用热挤聚乙烯钢缆，中间为7低松弛预应低松弛预应力高强度钢丝，外包力高强度钢丝，外包PE防护材料。全桥共计斜拉索防护材料。全桥共计斜拉索52对对104根，呈空间扇形布根，呈空间扇形布置。南北桥塔基础各置置。南北桥塔基础各置26根直径为根直径为2m的钻孔灌注桩，桩长均为的钻孔灌注桩，桩长均为70m。136 m336 m136 m44 m696 m44 m 四方台（松花江南岸） 松北镇（松花江北岸）tAx引入比例常数可得：引入比例常数可得： 这就是导热基本定律这就是导热基本定律(又称为傅里叶定律又称为傅里叶定律)的数学表达式。式的数学表达式。式中的负号表示热量传

4、递的方向指向温度降低的方向，中的负号表示热量传递的方向指向温度降低的方向，被称为被称为导热率，或称导热系数。傅里叶定律的文字表达是：在导热现导热率，或称导热系数。傅里叶定律的文字表达是：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于垂直于该截面方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度方向上的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反。升高的方向相反。tAx oz x y y x z z + dzdx + x y + dx ytdxdzy ztdxdyz xtdydzx x dxxxttdxdydz dxx

5、xxy dyyyttdydxdz dyyyyz dzzzttdzdxdy dzzzzdxdydztcdxdydzttttcxxyyzz222222ttttaxyzc222222ttttaxyz2222220tttaxyzc2222220tttxyz/()ac222222ttttaxyz0, ,tf x y, ,tq x ynVTVatTTn 对于一些物体形状规则、边界条件简单的传热学问题，用微积分的经典方法是对于一些物体形状规则、边界条件简单的传热学问题，用微积分的经典方法是可以得到温度场的解析解的。但是对于物体形状和边界条件都十分复杂的问题，解可以得到温度场的解析解的。但是对于物体形状和边界

6、条件都十分复杂的问题，解得温度场的解析解几乎是无法完成的，求解桥梁结构的温度场就是这样。然而，基得温度场的解析解几乎是无法完成的，求解桥梁结构的温度场就是这样。然而，基于数值计算技术的有限元方法却能够很好地解决这个问题。有限元算法最早是在于数值计算技术的有限元方法却能够很好地解决这个问题。有限元算法最早是在1943年被提出来的，它是解决结构和连续介质力学问题的一种近似方法，也可以被年被提出来的，它是解决结构和连续介质力学问题的一种近似方法，也可以被用来解其他类型的场问题。有限元法的基本思路是将一个连续求解区域分割成有限用来解其他类型的场问题。有限元法的基本思路是将一个连续求解区域分割成有限个数

7、目的不重叠且按一定方式相互连接在一起的单子域个数目的不重叠且按一定方式相互连接在一起的单子域(单元单元)。首先设定每个单元。首先设定每个单元内的近似解，并用有限数目的未知参数内的近似解，并用有限数目的未知参数(自由度自由度)来描述单元的行为特性。然后将各来描述单元的行为特性。然后将各单元的关系式结合成议程组，解方程组求出这些未知参数。如果将区域划分成很细单元的关系式结合成议程组，解方程组求出这些未知参数。如果将区域划分成很细的网格，当单元的尺寸变得越来越小时，场变量离散化的误差消失，就可以认为得的网格，当单元的尺寸变得越来越小时，场变量离散化的误差消失，就可以认为得到了精确解答到了精确解答 。

8、VatTTnaTJqHqRqGAqURqBqKqVTBKJHRGAURqqqqqqq400422coscos100sin11cos114sincos4242100LLLmTVKBKVBLSBLSmTmTmmBKukukukukBLSaKaaBLSTATJ qCCAJqrqrqrqrCTTC mT0msITTsTI0STsT时间时间5:007:509:5011:3013:4515:4016:4518:45温度（温度（）14.019.522.024.027.025.024.020.0时间温度（）251555:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019

9、:0018:0017:0016:0015:000102030工字钢边梁肋工字钢边梁肋混凝土桥面板混凝土桥面板沥青铺装层沥青铺装层0.240.550.8511dsJJJdsIIIcosddIJ2cos42ssIJ水平面PSNWE水平面法线被辐射面法线被辐射面太阳ldhP太阳光线赤道NO纬度纬度l、时角、时角h、太阳赤纬、太阳赤纬d的空间关系图的空间关系图 太阳水平面WNSEP太阳高度角太阳高度角 与太阳方位角与太阳方位角 的空间关系图的空间关系图 sincos cos cossin sinlhdldsincossinsecdhcoscos cos cossinsin时间19:0018:0017:

10、0016:0015:0014:0013:0012:0011:0010:009:008:007:006:005:00散射辐射直接辐射25006007009008003004002001000辐射强度（）时 间19:0018:0017:0016:0015:0014:0013:0012:0011:0010:009:008:007:006:001101009080706050403020100-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-1105:00太 阳 高 度 角 太 阳 方 位 角 度 数钢混凝土沥青导热系数 (W/mK)36.72.850.74密度 (kg/m3)79002

11、5002120比热容c (J/kgK)531912928W6W10E10E6WEB1T1W13W9W11W7W8W5W4W12W3W2W1E1E2E3E12E4E5E8E7E11E9E13mT( W/m2K ) (W/m2K)T125.12E17、W1717.51E8、W812.78B1、E913、W9139.845:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0019:00T115.720.327.435.342.648.352.254.054.050.845.439.232.725.819.5E126.538.8

12、47.551.150.144.937.429.631.532.030.728.926.823.619.4E222.130.837.140.039.936.932.528.029.730.229.027.425.722.919.4E317.522.526.428.629.328.627.326.227.928.327.325.924.622.319.3E414.716.919.121.122.824.225.727.529.329.728.627.025.422.819.4E517.522.526.428.629.328.627.326.227.928.327.325.924.622.319.3

13、E614.717.821.926.129.832.835.027.529.329.728.627.025.422.819.4E717.522.526.428.629.328.627.326.227.928.327.325.924.622.319.3E814.917.219.521.623.425.026.528.530.330.729.627.926.123.119.4E914.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4E1015.217.519.922.224.125.827.529.531.431.930.728.92

14、6.823.519.4E1114.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4E1215.217.519.922.224.125.827.529.531.431.930.728.926.823.519.4E1314.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4W115.217.519.922.224.125.827.529.548.956.656.352.746.738.931.2W214.817.019.321.323.024.526.027.941.0

15、46.145.542.838.632.827.0W314.316.518.620.521.923.224.526.232.835.334.532.630.226.622.7W414.716.919.121.122.824.225.727.529.329.728.627.025.422.819.4W514.316.518.620.521.923.224.526.232.835.334.532.630.226.622.7W614.716.919.121.122.824.225.727.537.636.633.830.627.423.419.4W714.316.518.620.521.923.224

16、.526.232.835.334.532.630.226.622.7W814.917.219.521.623.425.026.528.530.330.729.627.926.123.119.4W914.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4W1015.217.519.922.224.125.827.529.531.431.930.728.926.823.519.4W1114.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4W1215.217.519.92

17、2.224.125.827.529.531.431.930.728.926.823.519.4W1314.616.819.021.022.624.025.427.229.029.428.326.825.222.719.4B116.819.322.225.227.930.532.935.537.838.336.834.230.825.819.6实测值计算值()1040353025201550时间5:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019:0018:0017:0016:0015:00计算值实测值4020253035151050时间15:0016:

18、0017:0018:0019:0010:0011:0012:0013:0014:009:008:007:006:005:00计 算 值实 测 值40202530351510505:006:007:008:009:0014:0013:0012:0011:0010:0019:0018:0017:0016:0015:00时 间温度测点布置图 测点1温度计算值与实测值比较图 测点2温度计算值与实测值比较图 测点3温度计算值与实测值比较图 035251540302010505102030405:006:007:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017

19、:0018:0019:0015253500.120.240.360.840.720.600.481.201.321.441.561.080.961.801.922.282.162.041.6819:0018:0017:0016:0015:0014:0013:0012:0011:0010:009:008:007:006:005:001.682.042.162.281.921.800.961.081.561.441.321.200.480.600.720.840.360.240.120工字钢部分混凝土行车道板层沥青铺装层沥青铺装层混凝土行车道板层工字钢部分温度()温度()距顶层距离(m )距顶层距

20、离(m )东梁肋中线上的温度分布图 西梁肋中线上的温度分布图 上部结构高度上上(下下)游索力游索力ANSYS计算值与设计值对比图计算值与设计值对比图轴力（kN）顺桥向弯矩（kNm）横桥向弯矩（kNm）顺桥向剪力（kN）横桥向剪力（kN）南塔北塔南塔北塔南塔北塔南塔北塔南塔北塔-401153201133903378.43164.8109620104930201.77214.581119.91114.8101159901139608052.48356.14406042220302.79332.59464.12459.114011639011431010857114714725.24595.6363

21、.4403.3970.67365.662下游主梁跨中弯矩（kNm）下游主梁南塔牛腿处弯矩（kNm）下游主梁跨中剪力（kN）下游主梁南塔牛腿处剪力（kN）下游主梁跨中轴力（kN）下游主梁南塔牛腿处轴力（kN）-4013145795.6754.5617103586.511169101476.94716.6760.941559.43913.910407401574.74069.2764.7714694110.49950索号10-4040索号10-4040索号10-4040索号10-4040增量增量增量增量增量增量增量增量SS13646063206544SC1238422852443NC1362336

22、2256238NS1241023162467-14084-9959-85-9457SS12570255355802SC2246624302488NC12567056715669NS2249824612521-167100-36221-1-3723SS11457644154672SC3300930013013NC11469747014694NS3305030443054-16196-844-3-64SS10412139904200SC4310531103103NC10427742824273NS4314431523139-131795-25-48-5SS9379037013843SC531923

23、1993187NC9391939243916NS5321632233211-89537-55-37-5SS8390438483938SC6349535033491NC8399540013992NS6349334913495-56348-56-3-22SS7397639503991SC7402140284016NC7402040264017NS7397539503990-26157-56-3-2515SS6349434923495SC8399540033991NC6349535003491NS8390338503936-218-45-4-5333SS5321632253211SC93919392

24、53915NC5318931943185NS93789370538409-56-45-4-8451SS4314331523138SC10427542804272NC4309631003094NS104120399541959-55-34-2-12575SS3304730383052SC11469346944693NC3298829822991NS11457444214666-9510-63-15392SS2249124442519SC12566256515668NC2244024122457NS12569955395795-4728-116-2817-16096SS1239622792466S

25、C13621961896237NC1237022932417NS13645563196537-11770-3018-7747-13682体系升（降）温状况下索力值变化百分比曲线图体系升（降）温状况下索力值变化百分比曲线图 综合以上的分析，我们得到这样的结论：体系温差给斜拉桥内力造成综合以上的分析，我们得到这样的结论：体系温差给斜拉桥内力造成的影响主要反映在桥塔上，主梁次之，斜拉索最小。其中，体系温差给桥的影响主要反映在桥塔上，主梁次之，斜拉索最小。其中，体系温差给桥塔内力造成的影响又主要反映在塔柱根部的弯矩上，又以横桥向弯矩最为塔内力造成的影响又主要反映在塔柱根部的弯矩上，又以横桥向弯矩最为显

26、著。显著。下游号索索温蔽日处大气温度温度（）4035302010015:0016:0017:0018:0019:0010:0011:0012:0013:0014:009:008:007:006:005:0051525时间45 用第三类边界条件的非稳态温度场地有限元方法得出了四方台大桥塔柱截面各侧用第三类边界条件的非稳态温度场地有限元方法得出了四方台大桥塔柱截面各侧面壁厚度方向上在面壁厚度方向上在2004年年8月月19日这天从日这天从5:00至至19:00的这段时间内的温度分布。的这段时间内的温度分布。 21.720.416.416.719.616.123.417.022.716.929.817

27、.2EWSEWEWNEENEESEE9:00时的南塔东柱标准截面各侧面壁时的南塔东柱标准截面各侧面壁厚度方向上的温度分布厚度方向上的温度分布 9:00时的南塔东柱标准截面时的南塔东柱标准截面 温度云图温度云图 至此，四方台大桥各主要部位至此，四方台大桥各主要部位(梁、索、塔梁、索、塔)的日照温度分的日照温度分布都是已知条件了。下一步就是要根据温度分布把温度荷载布都是已知条件了。下一步就是要根据温度分布把温度荷载施加到模型上去。由于在用于计算体系温差造成的温度内力施加到模型上去。由于在用于计算体系温差造成的温度内力的有限元模型中，主塔和主梁的单元采用的是只能考虑整体的有限元模型中，主塔和主梁的单

28、元采用的是只能考虑整体升降温的梁单元，故必须对模型进行改造以考虑日照温差在升降温的梁单元，故必须对模型进行改造以考虑日照温差在构件截面上形成的非线性温度分布对结构内力产生的影响。构件截面上形成的非线性温度分布对结构内力产生的影响。笔者将原全桥模型中的笔者将原全桥模型中的BEAM188和和SHELL63单元置换为可单元置换为可以进行分层处理的以进行分层处理的SHELL91单元。单元。SHELL91单元的特点是单元的特点是可以在单元内的层与层之间施加不同的温度，进而可以模拟可以在单元内的层与层之间施加不同的温度，进而可以模拟截面带有梯度的温度分布。截面带有梯度的温度分布。工况编号工况情形温度最大差

29、值（）该工况出现时刻1东边梁肋混凝土行车道板顶层与钢梁腹板中部的温差达到最大10.56:302西边梁肋混凝土行车道板顶层与钢梁腹板中部的温差达到最大12.517:30工况编号工况情形温度最大差值（）该工况出现时刻3EE与EW、WE与WW正温差达到最大值11.29:304EE与EW、WE与WW负温差达到最大值11.516:305EES与EEN温差达到最大值6.215:306WWS与WWN温差达到最大值7.814:00叠合梁的温度分布最不利工况表叠合梁的温度分布最不利工况表塔柱的温度分布最不利工况表塔柱的温度分布最不利工况表 工况轴力（kN）顺桥向弯矩（kNm）横桥向弯矩（kNm）顺桥向剪力（kN

30、）横桥向剪力（kN）东柱西柱东柱西柱东柱西柱东柱西柱东柱西柱恒载1159901159908052.48052.44406044060302.79302.79464.12464.121118078 117498 9042.8 9244.2 57851 34499 299.16 313.69 514.24 477.58 2118310 117730 7303.5 7158.6 27141 59525 340.03 310.66 488.72 394.04 3115178 114598 9002.6 9171.7 63887 30049 285.23 327.62 472.47 324.88 411

31、7730 114830 7223.0 7142.5 13086 74197 330.34 324.89 -278.47 1160.30 5117382 115178 7021.7 6957.3 -22162 110062 368.80 372.73 -139.24 1058.19 6117150 115410 6844.5 6675.4 4318 88340 350.03 354.57 -51.05 920.35 工况主梁跨中弯矩（kNm）主梁南塔牛处弯矩（kNm）主梁跨中剪力（kN）主梁南塔牛腿处剪力（kN）主梁跨中轴力（kN）主梁南塔牛腿处轴力（kN）东梁西梁东梁西梁东梁西梁东梁西梁东梁西梁东梁西梁恒载1476.91476.94716.64716.6760.94760.941559.41559.43913.93913.9104071040711565.5 1494.6 4461.9 4617.6 751.81 733.55 1609.3 1593.7 4140.9 4039.1