隔热混凝土铺装梁桥的温度场和温度应力研究

摘要

处在外界环境中的混凝土梁桥，除承受结构自重和车辆、行人等移动荷载外，还会长期经受太阳日照辐射和大气温度变化等剧烈作用。在混凝土梁桥中，根据现行公路与桥梁设计规范规定的温度梯度值计算其温度应力，在某些跨径和跨数条件下，温度梯度作用产生的应力，接近甚至超过移动荷载所产生的应力。为了抵抗由温度作用产生的应力，需要配置大量的预应力钢筋或普通钢筋。基于此研究背景，本文提出一种采用隔热混凝土作为桥面铺装层的方法，通过降低桥面铺装层的导热系数，降低温度梯度数值，从而降低主梁的温度应力，可大幅度降低工程造价。
　　本文从传热学、太阳物理学、热弹性理论和结构分析理论出发，利用数值模拟和理论推导方法，对设有隔热混凝土铺装层的混凝土箱梁桥的温度场和温度应力进行深入细致地研究，旨在揭示设有隔热混凝土铺装层的混凝土箱梁桥的日照温度场和温度应力特点、规律及其对结构行为的影响，为该类桥梁的设计提供理论依据。本文的主要工作及研究成果如下:
　　(1)以3*28m连续箱梁桥为研究对象，以ANSYS有限元分析软件为工具，建立了包括隔热混凝土铺装层和混凝土箱梁的三维实体模型。在验证数值模型的可行性和准确性的基础上，对设有隔热铺装层的混凝土箱梁的温度场进行相关热物理参数（即隔热混凝土导热系数、厚度）的敏感度分析，基于最佳隔热效果优化相关参数。结果表明:隔热层参数变化对箱梁项板温度场产生显著影响，而对其他部位影响较小。通过参数优化对比分析发现，当隔热层厚度为10cm时，箱梁顶板的温度分布较为均匀，沿其高度方向的温度梯度较小，隔热降温效果较为理想。
　　(2)总结数值模拟结果及上述分析，得出设有隔热混凝土铺装层的混凝土箱梁温度场的温度梯度模式，并对其适用性提出相关建议。
　　(3)对设有隔热层混凝土箱梁的温度应力进行参数（即隔热层导热系数、厚度）的敏感度分析，研究纵、横桥向的温度应力，基于最佳隔热效果优化相关参数。结果表明:隔热层参数变化对箱梁横、纵向温度应力影响显著。通过参数优化对比分析发现，当隔热层厚度为10cm，导热系数为0.3W/(m·K)时，可以显著地改善箱梁的受力状态。
　　(4)进一步研究在箱梁中使用隔热混凝土铺装层带来的社会经济效益，说明其对改善箱梁结构受力状况和提高经济效益方面的有利影响。以3*28m连续箱梁桥为例，重点进行经济性对比，对其应用前景做出展望。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展和存在问题

1．2．1 国外关于温度场和温度效应的研究进展

1．2．1 国内关于温度场和温度效应的研究进展

1．2．3存在问题

1．3 研究思路及主要内容

1．4 本章小节

2．混凝土梁桥温度场的基本理论

2．1 混凝土梁桥的温度场的形成与理论分析

2．1．1 混凝土梁桥温度场的形成

2．1．2 混凝土梁桥温度场的理论分析

2．2 国内外桥规对温度场的相关规定

2．2．1 国外桥规对温度场的相关规定

2．2．2 国内桥规对温度场的相关规定

2．3 本章小节

3． 基于不同铺装形式的混凝土箱梁的温度场研究

3．1 混凝土梁桥温度场的ANSYS精确模拟

3．1．1 温度场的主要影响因素

3．1．2 结构表面的辐射气温计算

3．1．3 有限元分析中的已知参数

3．1．4 大气温度

3．1．5 温度场的有限元分析

3．1．6 温度场初始条件

3．2 实例分析

3．2．1 温度场的分析

3．2．2 温度应力的分析

3．3 本章小节

4． 不同隔热混凝土参数下的混凝土梁温度场和温度模式的研究

4．1 概述

4．2 隔热铺装层导热系数对温度场的影响

4．3 隔热铺装层厚度对温度场的影响

4．4 不同铺装形式混凝土箱梁温度模式

4．4．1 10cm水泥混凝土铺装箱梁温度梯度模式

4．4．2 10cm隔热混凝土铺装箱梁温度梯度模式

4．5 本章小节

5．不同隔热混凝土参数条件下的混凝土主梁温度应力的研究

5．1 箱形梁温度应力原理

5．1．1 结构纵向温度应力的计算

5．1．2 结构横向温度应力的计算

5．2 隔热混凝土铺装层厚度对温度应力的影响

5．2．1 隔热层参加主梁受力

5．2．2 隔热层不参加主梁受力

5．3 隔热混凝土铺装层导热系数对温度应力的影响

5．3．1 隔热层参加主梁受力

5．3．2 隔热层不参与主梁受力

5．4 隔热混凝土在桥梁领域中的应用和经济性研究分析

5．4．1 轻骨料混凝土(隔热混凝土)在桥梁领域中的应用

5．4．2 隔热混凝土(轻骨料混凝土)铺装层梁桥经济性分析

5．5 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢