混凝土箱梁和空心高墩温度场及温度效应研究

摘要

混凝土结构的导热性能差，其表面与外界发生辐射、对流等热交换的作用下，表面温度迅速上升或者降低，但结构的内部温度仍处于原来状态；再者，当出现寒潮时，混凝土表面温度突然降低，而混凝土内部会保持原来温度，导致混凝土内外温差很大，在混凝土结构中形成较大的温度梯度。这种温差会产生温度变形，当结构受到内、外约束阻碍时，将会产生相当大的温度应力。这种温度应力和变形直接影响到混凝土结构的安全性、耐久性和适用性。本文以铁道部重点科技课题——艰险困难山区高速铁路桥梁关键技术研究中的第5个子课题为研究背景，主要工作如下：
　　根据传热学、天文学、太阳能物理学的理论，全面考虑混凝土结构与外界之间的热交换边界，建立桥梁结构日照温度场分析理论模型。采用APDL参数化建立箱梁空间有限元温度场分析模型进行计算，并对其准确性进行评价。分析了初始条件的定义对混凝土内部克服初始温度场，达到热稳态波动时间的影响。
　　设计、制作幸福源水库实桥12＃桥墩高度中部截面高度1米的1：1节段模型和不同壁板厚度的桥墩模型，进行模型试验。用APDL参数化建立桥墩有限元温度场分析模型，分析了桥墩方位角度、导热系数、大气透明度和壁板厚度对桥墩温度场分布的影响。通过将实际测试结果与模型试验结果、有限元计算结果相对比分析，最终得到混凝土空心桥墩沿壁厚的温差曲线模式。
　　针对混凝土箱梁，通过改变壁板的厚度对其温度场进行计算，提出了顶板和腹板厚度越大（顶板≥50cm，腹板≥40cm）时，温差曲线才趋于稳定。而我国铁路规范在定义温差曲线的时候是当顶板、腹板壁厚≥26cm时，指数系数a'值就稳定在10。
　　针对公路混凝土箱梁，通过对比计算混凝土铺装层、50mm沥青混凝土铺装层和100mm沥青混凝土铺装层这三种情况下，顶板表面点的温度大小，提出了50mm沥青混凝土铺装层反而使得箱梁的竖向温度梯度不利，建议50mm沥青混凝土铺装的1T值取为27。提出了公路混凝土箱梁上有铺装层时，其竖向温度场的简化半解析算法。
　　通过分析截面形状和尺寸、截面倒角对温度应力的影响发现，我国现行的铁路桥涵设计规范(TB10002.3-2005)在计算横向应力时，是假设箱梁壁板厚度相等的，也忽略了倒角的影响，这样使得温度应力计算结果将偏小，偏于不安全。基于ANSYS二次开发的三大语言APDL、UIDL和UPF，开发出与ANSYS风格一致的针对大跨预应力混凝土箱梁温度场及其效应计算的可视化模块。总结了现目前温度应力计算中，热弹性模量的取值方法。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 温度效应对混凝土结构产生的影响

1.2 混凝土桥梁温度场分布的影响因素

1.3 温度荷载的分类和特点[84]

1.4 混凝土桥梁温度研究的国内外现状

1.5 本文工程背景和研究内容

2 混凝土结构温度场和温度应力计算的基本理论

2.1 传热学的基本理论[160]

2.2 混凝土结构日照温度场的研究方法[84]

2.3 混凝土结构日照温度场的有限单元法分析[160，113]

2.4 温度应力的计算方法

2.5 本章小结

3 桥梁结构日照温度场综合分析模型的建立

3.1 太阳短波辐射计算

3.2 对流换热计算

3.3 长波辐射换热计算

3.4 桥梁结构壁板向外界辐射能量计算

3.5 大气温度的确定

3.6 桥梁结构日照温度计算热边界条件的建立

3.7 混凝土箱梁温度场仿真计算

3.8 混凝土桥梁结构进入热稳态波动状态时间

3.9 本章小结

4 混凝土空心高桥墩温度场研究的模型试验与分析

4.1 试验测试的目标

4.2 试验模型设计

4.3 节段模型测试数据分析

4.4 不同壁板厚度的模型试验数据分析

4.5 本章小结

5 空心高墩日照温度梯度模式的研究和分析

5.1 桥墩温度场计算

5.2 桥墩温度场分布的影响因素分析

5.3 我国现行空心桥墩温度梯度模式及讨论

5.4 温差曲线的提出

5.5 本文温差曲线的可靠性评价

5.6 本章小结

6 混凝土箱梁日照温度梯度模式的研究

6.1 各国设计规范界定的箱梁温度梯度模式及对比

6.2 温差曲线对温度效应计算影响的评价

6.3 不同厚度壁板的箱梁温度场分析

6.4 本文沿壁板温差曲线的提出及正确性评价

6.5 对公路桥涵规范中箱梁温度梯度模式的思考

6.6 带有铺装层箱梁日照温度分布计算的半解析方法

6.7 本章小结

7 混凝土箱梁日照温度应力的研究

7.1 箱梁横向温度应力的影响因素分析和对规范的思考

7.2 基于ANSYS UIDL的箱梁温度场及其效应计算的二次开发

7.3 温度应力计算中混凝土弹性模量的取值

7.4 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新之处

8.3 展望

致谢

参考文献

附录