基于ansys的连续梁桥温度应力分析

基于ansys的连续梁桥温度应力分析

混凝土桥梁结构的表面和内部温度随时都会发生变化。由于自然环境条件的变化，发生的温度载荷一般分为年温温度载荷、日平均温度负荷和冷潮温度载荷。年温变化在混凝土桥梁结构中产生的温度效应分析起来最为简单,而有关日照温度荷载的相关研究虽然很复杂,但这种研究在工程界也是大量存在的,且取得了丰富的成果。相比较而言,寒潮温度效应的相关分析却是鲜见的,这也是本文所要研究的内容。1寒潮降温特性寒潮强度是影响箱梁寒潮应力的重要因素。中国气象局规定,使得单站气温在24h内下降10℃以上或者48h内下降12℃以上,且最低日气温降至5℃以下的冷空气入侵都可以称为寒潮。为了全面掌握环境温度陡降对混凝土箱梁桥的影响,可以适当放大寒潮强度的变化幅度,所谓放大寒潮强度的变化幅度也就是扩大气温的下降幅度Δθ和气温的下降历时Δt的范围。文献用折线近似地表示寒潮期间气温的变化过程,并认为Δθ一般可取为24～72h内温度下降值,而且气温回升与下降的过程有着相同的变化速度。文献沿用了这种寒潮气温变化模式,并认为寒潮降温速率的最大值为10℃/24h。笔者认为根据单站气温的变化特征,用一段随时间先递减再递增进而稳定在初始温度上的多阶连续可导函数曲线来描写寒潮降温模式是简单而恰当的,这比上述折线模式更加符合实际情况。因此,本文构造出2变化端导数为0的Hermite多项式衔接一段常数函数的分段函数来描写寒潮来临时箱梁周围气温的变化情况。根据不同的Δθ与Δt的组合,可以绘制代表不同强度寒潮的降温曲线。由Δθ的5、10、15、20℃4个取值与Δt的12、36、60、84h4个取值组合得来16种寒潮工况(为方便表述,本文对寒潮工况的编号格式为“Δθ-Δt”,例如工况5-12代表降温时间持续12h,降温幅度为5℃的寒潮)。显然,气温在12h内下降20℃的寒潮是不可能出现的气候现象,而气温在84h内下降5℃的已经不具备寒潮特征,不过这2种降温天气过程可以代表寒潮强度的最强或最弱的极端情况,依据有关文献的实测与分析结果,本文认为介于这两者之间的各种气温下降及回升过程基本能够涵盖我国疆域内各种强度寒潮的温时关系。2总集参数法热传导微分方程混凝土箱梁桥在寒潮作用下会产生一个较快的降温过程,有一类传热学问题可以与这个过程相对应:设有一任意形状的固体,其体积为V,表面积为As,并具有均匀的初始温度θo,在初始时刻,突然将它置于温度恒为θ的流体中(即陡然降温),试求物体温度随时间的依变关系。有学者在求解这类导热问题时提出了“总集参数法”,该方法假设上述物体的导热系数相当大、几何尺寸很小或者表面换热系数极低。基于这样的假设,总集参数法认为物体内部的热阻可以忽略不计,温度与空间坐标无关,所以如式(1)所示的完整的热传导微分方程可以简化为式(2)。ρc∂θ∂t=∂∂x(λ∂θ∂x)+∂∂y(λ∂θ∂y)+∂∂z(λ∂θ∂z)+Φ(1)dθdt=Φρc(2)ρc∂θ∂t=∂∂x(λ∂θ∂x)+∂∂y(λ∂θ∂y)+∂∂z(λ∂θ∂z)+Φ(1)dθdt=Φρc(2)式中:λ、ρ、c、Φ各为材料的导热系数、密度、比热容、单位时间内单位体积中的内热源生成热及时间。对于寒潮作用下的混凝土箱梁而言,材料的密度ρ和比热容c可视为常数,所以温度的衰减可进一步地被确认为与对流换热系数hc以及表面积与体积之比As/V有关。表面积与体积之比的倒数是物体的体表比V/As,有着长度的量纲,在传热学里被称为物体的特征长度lc。对于等截面箱梁而言,特征长度在寒潮效应分析中等于截面面积与截面外周长之比。3最大寒潮重测系统的确定寒潮来袭时一般都伴有大风天气,而风速的大小决定了箱梁外表面的对流换热效率。文献对上海地区1976～2005年的历次寒潮时日风速进行了χ2拟合度检验,发现寒潮时日最大风速满足P-III型概率分布,并进行了重现期为30、50和100年的最大寒潮时日风速计算,分别得到11.1、11.7和12.5m/s的计算结果。结合文献根据风速对对流换热系数hc的计算,寒潮时箱梁外表面的对流传热系数hc取40～45W/(m2·℃)是比较合适的,在后续的寒潮应力分析中,将这个范围扩大到30～50W/(m2·℃),以考虑更大疆域内的气候情形。4寒潮对箱梁的影响假设箱梁在寒潮来袭的初始时刻具有均匀的温度场,且将此均匀温度设定为式(1)中的θs。计算箱梁寒潮温度应力时,也以θs为参考温度(即认为箱梁在分析的初始时刻既无应力也无应变)。这样假设的目的是使得各种寒潮工况下的温度应力在统一的基准上具有可比性。θs可取为任意温度值(取为20℃)。采用ANSYS的热-结构耦合计算功能对图1、图2所示3跨等截面连续箱梁桥的1/4实体有限元模型进行了在前述16种寒潮工况下的温度场和温度应力计算,时间步长取为1h,分析时段总长192h。材料属性设定为:导热系数为2.85W/(m2·℃)、密度为2500kg/m3、比热容为912J/(kg·℃),弹性模量为32.5GPa,泊松比与热膨胀系数分别为0.166和1.0×10-5℃-1。箱梁内部的空气温度仍设为常数(20℃),空气流速为0m/s。箱梁外表面的对流传热系数hc取30～50W/(m2·℃)这个变化范围的中间值,即40W/(m2·℃)。对各种寒潮工况下的温度应力计算结果进行分析后可以发现,寒潮对箱梁温度场的影响从总体上看是由表及里的,而不像太阳辐射对箱梁温度场的影响那样从整体上看是自上而下的。图3显示了寒潮工况20-12(最强寒潮)作用下箱梁中心线顶、缘在各时刻沿顺桥向的正应力分布(图中只显示半桥长值)。图4、图5显示了工况10-36的寒潮作用下箱梁在寒潮来临后的第28h的温度场和顺桥向正应力的分布云图。以下具体分析寒潮强度、对流换热系数、箱梁截面的特征长度对箱梁寒潮应力的影响及其规律:(1)寒潮强度对寒潮应力的影响。以中跨跨中截面顶缘中点为关注点,由该点的顺桥向正应力计算值在各种强度寒潮工况下的时程变化可以看到:在降温时间Δt一定的情况下,被关注点的顺桥向正应力在各时刻的计算值与工况所对应的降温幅度Δθ成正比,例如被关注点的顺桥向正应力在工况5-12、10-12、15-12、20-12下,于任意时刻的计算值之比都是1∶2∶3∶4,构成一种线性关系。在降温幅度Δθ一定的情况下,被关注点的顺桥向正应力计算值的最大值随降温时间Δt的增大而减小,但并不构成线性关系,例如在工况20-12、20-36、20-60、20-84下(见图6),被关注点的顺桥向正应力计算值的最大值分别为1.63、1.02、0.79、0.68MPa。分析表明,在降温幅度Δθ一定的情况下,被关注点的顺桥向正应力计算值的最大值随降温时间Δt减小而加速增加。(2)对流换热系数对寒潮应力的影响。将寒潮来袭时箱梁外表面的对流传热系数hc由40W/(m2·℃)分别改变为30、35、45、50W/(m2·℃)再作各寒潮工况下的应力计算。仍然以中跨跨中截面顶缘中点为关注点来分析计算结果。计算结果表明,只要对流换热系数一定,则被关注点的顺桥向正应力在各时刻的计算值与工况所对应的降温幅度Δθ成正比。而且在降温幅度Δθ一定的情况下,被关注点的顺桥向正应力计算值的最大值随降温时间Δt减小而加速增加的规律总是成立的。研究结果进一步表明,在寒潮强度一定的情况下,对流换热系数越小则被关注点的寒潮应力越大,这意味着寒潮来临时的风速越大则越有利于减少箱梁表面产生的寒潮应力。但是从研究结果还可以看到,对流换热系数的取值虽然影响着寒潮应力的大小,但影响并不大,而且寒潮强度越小,对流换热系数对寒潮应力的影响就越小。(3)箱梁截面特征长度对寒潮应力的影响。通过改变计算模型截面的尺寸(具体说来是改变图1中截面的厚度参数t的取值,分别取为0.20、0.22、0.24、0.26、0.28m),得到截面特征长度lc分别为0.161、0.177、0.192、0.207、0.221m的计算模型,对流换热系数取为40W/(m2·℃),对各模型作各寒潮工况下的应力计算,并仍然以中跨跨中截面顶缘中点为关注点来分析计算结果。计算结果表明,箱梁截面特征长度一定,则被关注点的顺桥向正应力在各时刻的计算值与工况所对应的降温幅度Δθ成正比。而且在降温幅度Δθ一定的情况下,被关注点的顺桥向正应力计算值的最大值随降温时间Δt减小而加速增加的规律也总是成立的。研究结果进一步表明,各种寒潮工况下被关注点的顺桥向正应力的最大值对箱梁截面特征长度都是比较敏感的,这种敏感程度不随寒潮强度的变化而显著改变。5在箱梁中的寒潮(1)混凝土箱梁桥寒潮温度效应与寒潮强度、对流换热系数与箱梁的特征长度有关,主要影响因素是箱梁寒潮强度和特征长度。壁厚