特大拱桥钢管混凝土拱肋日照温度效应研究

时间：2024-09-03

于孟生,邓年春 ,王龙林,郝天之,张祖军

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁 530004；2.广西交科集团有限公司，广西南宁 530007；3.广西北投交通养护科技集团有限公司，广西南宁 530007；4.长沙理工大学土木工程学院湖南长沙 410114)

钢管混凝土结构自1879年首次应用于英国赛文铁路桥[1]以来，因其优良的力学特性一直受到人们的青睐。钢管混凝土在我国起步较晚，但改革开放后，迅速取得了快速的发展。2020年12月份通车的广西平南三桥，以主拱跨度575 m跻身世界第一拱桥。快速的发展也导致钢管混凝土结构相关研究的相对滞后，如钢管混凝土拱肋的温度效应问题[2-4]也逐渐引起人们的重视。

天津大学周婷[5]等通过等比例模型试验，基于试验模型的实际温测数据，分析了自然环境中钢管混凝土结构温度场分布；祁强[6]等以西北地区某拱桥为例，对钢管混凝土主拱结构在严寒地区的温度场变化规律进行分析；福州大学陈宝春[7]在分析钢管混凝土结构温度场的同时，针对性的研究了钢材、混凝土两种不同热力学特性材料之间的热脱粘性现象；CHEN[8]通过钢管混凝土模型试验分析了不同影响因素下的构件温度场效应；LIU[9]采用数值模拟的方法，模拟低温风场下钢管混凝土构件的截面温度分布；李自林[1]以某铁路钢管混凝土拱桥为例，分析铁路重载情况下拱桥整体的温度场效应；花东强[10]分析了日照温度作用下钢材、混凝土之间边界粘脱发生机理及变化规律，但缺乏对温度场效应的进一步研究。

截止目前，针对钢管混凝土拱肋温度效应问题的研究仍很缺乏。因此，本文以平南三桥钢管混凝土拱肋为分析对象，基于拱肋截面实际温测数据，采用ANSYS有限元方法，建立拱肋截面数值模型，对拱肋截面的日照温度效应进行分析。

1 依托工程概况

平南三桥为荔(浦)玉(林)高速跨越浔江的控制性工程，为主拱拱肋采用钢管混凝土结构的中承式拱桥，主跨575 m，净跨径548 m。主跨桥跨构造见图1。

图1 桥跨构造(单位：m)

采用钢管混凝土桁式拱肋，拱肋之间采用空腹式桁架钢管连接。主拱采用1∶4的矢跨比，1.5的拱轴系数。主拱上(偏西侧)下(偏东侧)游侧拱肋宽度4.2 m，拱肋间距25.9 m，拱肋高度由17 m(拱脚)渐变至8.5 m(拱顶)。每侧拱肋由上下各2根共计4根直径1.4 m钢弦管组成，钢弦管内填充C70砼。主跨梁部采用钢箱梁，通过吊杆与拱肋连接。如图2所示。

图2 主跨横断面(单位：cm)

2 测点布置

平南三桥顺桥向为北偏西约30°方向，为尽可能测量到拱肋日照温度的最不利工况，选择拱肋最高点截面作为测点布设截面，该处拱肋所受日照辐射强度及时长最大。该桥主拱有上游(偏西侧)和下游(偏东侧)两个主拱肋，由于两个主拱肋结构尺寸，方向均一致，为避免重复，选择下游偏东侧拱肋顶部截面进行测点布设。如图3所示。

图3 测点布置图

图3中，S1～S8为拱肋外部测点，用于测量拱肋外部对应位置测点温度，H-01～H-06为内部测点，用于测量弦管内混凝土厚度方向测点位置温度。采用埋入式温度计和自动信号采集仪，可实现快速、实时、便捷测量拱肋截面测点位置温度数据。

3 有限元模型建立

平南三桥钢管混凝土拱肋上下部分弦管内的温度效应沿竖向空腹式钢管腹板的传递可忽略不计[1]，因此拱肋上下部分弦管之间温度场可均看作独立的温度场。为避免重复，本文选择拱肋上部弦管部分作为分析对象，采用ANSYS软件建立钢管混凝土拱肋上部弦管平面模型，如图4所示。

图4 拱肋截面数值模型

拱肋的温度场分析属于ANSYS中的热分析类型，可采用适合二维瞬态或稳态热PLANE55平面单位作为拱肋截面的温度场分析单元。由于钢材和混凝土的热力学特性不同，拱肋弦管内二者之间形成了较为复杂的耦合边界条件，因此，选择SURF151表面效应单元模拟耦合边界单元，以更好地模拟真实的弦管内温度场分布。拱肋截面的温度应力分析属于ANSYS中的结构分析类型，此时，需将适合温度场分析的PLANE55单元转换为适用于温度应力分析的PLANE181单元，同理，表面效应单元SURF151转换为SURF153单元[5]。

假定平南三桥主拱拱肋内C70混凝土密度2 600 kg/m3，比热930J/(kg.℃)，热传导系数2.35 W/(m.℃)[11]。假设拱肋弦管与弦管内砼粘结良好，在进行 ANSYS软件数值模拟中，采用共节点来实现二者的良好粘结。

4 结果分析

4.1 拱肋截面温度场实测分析

对平南三桥钢管混凝土拱肋温度场进行了近3个月的实时测量，时间跨度经历了初夏至夏季炎热天气的过程，取得了大量的温度荷载工况。从已收集的拱肋截面测点实测温度数据可知，近3个月的温度测量过程中，拱肋截面的温度场也是复杂多变的。限于篇幅，本文从测量数据中依次选取一个晴天(7月15日)和一个阴雨天(7月24日)的拱肋截面测点温度数据进行分析，见图5、图6。为避免重复，仅选择拱肋上部弦管外侧测点S1～S4温测数据作为分析对象。

图5 S1～S4测点温度变化(晴朗天气)

图6 测点温度变化(阴雨天气)

从图5可知，晴朗天气时平南三桥钢管混凝土拱肋外部埋设的测点S1～S4温度变化情况较一致。从凌晨至上午6时，各测点温度均处于下降趋势，但降温幅度不大；自上午6时起，随着太阳辐射强度的增大及照射时间的增加，拱肋各外侧测点温度又处于上升状态。上午时，偏东侧S1、S2测点由于首先受到日照辐射影响，两测点升温较快，至下午13时(S1测点)和14时(S2测点)分别达到当日最高温度45.6 ℃、47 ℃，最大温差分别达19 ℃、21 ℃。随后，因日照角度的偏移，S1、S2测点温度又呈降温趋势，降温过程一直持续到夜里零时。

偏西侧S3、S4测点由于受日照辐射较晚，上午时测点温度增加较缓慢，S4测点位于拱肋偏西侧位置，上午属于背阳面，温度变化更为迟缓。至下午15时(S3测点)、16时(S4测点)两测点分别达到当日最高温度48.5 ℃、45.2 ℃，最大温差分别达23.4 ℃、18.2 ℃。之后，随着当日日照强度的减弱，测点温度又呈降温趋势，直至夜里零时。S1～S4测点依次到达当日最高气温的时间各不相同，是由于所处位置不同导致的日照方位角和日照时长不同的缘故。各测点温度到达当日最高气温的时间点不同，是由于测点位置不同导致日照方位角和时长的不同。

从图6可看出，阴雨天气时钢管混凝土拱肋外部测点S1～S4温度变化情况基本一致。因无日照影响，从凌晨至上午9时，各测点温度均处于下降趋势，从上午9时至下午16时左右，受天空散热辐射及逆辐射等因素影响各测点又处于缓慢升温状态，因热量较少，各测点当日升温幅度很小，最大升温4.5 ℃(偏东侧S2测点，当日最高气温28.2 ℃)、3.9 ℃(偏西侧测点S3，当日最高气温27.5 ℃)。下午16时后，因日照热量进一步减少，拱肋各测点气温又处于降温状态直至夜里零时。

对比晴朗天气和阴雨天气拱肋外部测点的温度变化情况可知，晴朗天气时，日照强度高和受日照时间长，S1～S4测点当日温差较大，最大达23.4 ℃(S3测点)。阴雨天气，因无日照影响，拱肋各测点温度变化幅度较小，最大仅4.5 ℃。可见，晴朗天气时，钢管混凝土拱肋截面更容易出现最不利温度场分布，即最不利温度工况。

依据拱肋测点实测温度数据，选取7月15日当日14时(S2测点极值时刻，最大温差为21 ℃)和15时(S3测点极值时刻，最大温差为23.4 ℃)两个时刻测点温度作为最不利温度工况加载。

4.2 拱肋截面温度场数值模拟分析

依据7月15日实测数据，当日14:00和15:00时，偏东侧和偏西侧弦管内沿混凝土厚度方向的测点实测温度为表1所示。

表1 内部测点控制时刻温度Table1 Controltimetemperatureofinternalmeasuringpoint时刻偏东侧测点14:00H-01H-02H-03H-04H-05H-064744.842.440.838.436.2时刻偏西侧测点15:00H-01H-02H-03H-04H-05H-0648.545.743.841.639.237.2

依次将以上两个时刻拱肋外部实测温度工况施加在ANSYS数值模型上，得到钢管混凝土拱肋偏东侧和偏西侧弦管内温度场分布，如图7、图8。

图7 偏东侧弦管温度场

图8 偏西侧弦管温度场

依据图7、图8，将拱肋偏东侧、偏西侧弦管温度场ANSYS理论计算值与弦管内对应位置测点温度实测值进行对比，结果如图9、图10所示。

图9 温度值比较(偏东侧)

图10 温度值比较(偏西侧)

从图9、图10中可看出，平南三桥钢管混凝土拱肋上部偏东侧及偏西侧弦管在各自温度极值工况下沿拱肋弦管内混凝土厚度方向温度场ANSYS计算结果与实际结果较一致，二者温度最大相差0.6 ℃，最小约0 ℃。计算结果表明：基于拱肋截面实侧日照温度数据，采用ANSYS有限元方法进行钢管混凝土拱肋温度效应分析是可行的，计算结果可靠。

4.3 拱肋截面温度应力分析

在完成温度场求解后，保持节点和单元网格划分不变，在ANSYS中通过热-结构耦合分析功能，将热分析单元PLANE55转换为结构分析单元PLANE181，即热应力分析类型，两种材料属性一致，表面效应单元随之改变。将温度场分析的结果作为新的边界条件进行分析求解，即得到钢管混凝土拱肋的温度应力计算结果。考虑混凝土与钢材热力学参数的迥异，相同的日照温差工况下二者的温度效应也不同，因此温度效应分析仅显示出混凝土部分，以利于观察和分析。

为节约篇幅，选择7月15日当日14:00时拱肋各测点实测温度作为最不利分析工况，采用ANSYS软件分析该工况下平南三桥钢管混凝土拱肋温度应力分布，计算结果见图11、图12。

图11 拱肋截面温度应力分布(X方向)

图12 拱肋截面温度应力分布(Y方向)

从图11可知，在当日14时实测温度工况下，平南三桥钢管混凝土拱肋弦管内截面外缘整体呈受压状态，这是因为随着温度上升混凝土结构受热膨胀，但同时又受到钢弦管约束的缘故。不考虑边界上的应力集中，拱肋弦管内截面上缘由于受日照辐射强度大，日照时间长，弦管内截面上缘升温也越明显，该部分温度场分布的温度也越高，温度效应引起的压应力越大，最大9.73 MPa，温度引起的压应力范围为6.51～9.73 MPa。混凝土下边缘部分由于总体处于背阳面，受拱肋弦管的遮挡，导致侧面下缘整体温度较低，温度效应引起的压应力较小，压应力值分布范围为2.23～6.51 MPa。

从图12中可看出，在当日14时实测温度工况下，平南三桥钢管混凝土拱肋弦管截面Y方向温度应力分布同X方向类似，也呈边缘受压状态。拱肋弦管截面上缘温度效应同样更显著，其压应力值范围为5.91～8.93 MPa，下缘压应力值范围为1.88～5.91 MPa。

从图11、图12中可看出，平南三桥钢管混凝土拱肋截面X方向及Y方向温度应力基本均以截面竖向中轴线对称分布。偏东侧弦管内的边缘压应力略大于偏西侧弦管内的边缘压应力，这是由于偏东侧弦管率先受到日照辐射影响的缘故。由于平南三桥纵桥向为北偏西约30°方向，至下午14:00时，拱肋两侧弦管内的温度场分布较接近，引起的两侧弦管温度应力分布也相差不大。Y方向应力分布中混凝土边缘出现拉应力，是由于边界处产生应力集中的缘故。