高速铁路槽形梁桥竖向温度分布模式研究

薛 嵩,王文欣

(天津市市政工程设计研究院,天津 300051)

高速铁路槽形梁桥竖向温度分布模式研究

薛 嵩,王文欣

(天津市市政工程设计研究院,天津 300051)

以沪昆高速铁路某槽形梁斜拉桥为工程背景,根据传热学和太阳物理学等相关理论,建立槽形梁横断面热力学分析模型,研究槽形梁内部的温度分布规律,探讨各类参数的影响,在此基础上提出日照作用下槽形梁横断面上温度分布模式。分析发现:不同时刻、大气透明度系数、混凝土表面辐射吸收率及梁高虽然会引起槽形梁温度场变化,但对槽形梁的竖向温差模式影响不大;槽形梁温差模式可按两部分进行拟合,截面顶缘温差22℃,采用指数函数和线性函数相结合模式进行拟合;下缘最大温差4℃,并线性变化至0℃。

桥梁工程;槽形梁;日照温差;参数影响;温差模式

暴露在环境中的混凝土桥梁结构,长期经受外界环境的变温作用,混凝土由于材料本身性质所致,对于温度的传递十分缓慢,当受到温度变化作用时,将在混凝土内部产生非线性的温度分布,而由此引起温度应力和温度变形是影响桥梁结构安全性和耐久性的重要因素之一[1-2]。

槽形梁具有建筑高度低、噪声污染小、防止道砟飞散、外形美观等优点,但由于槽形截面为开口截面,受太阳辐射面积大,且内部倒角设置多,对于环境中的温度变化极为敏感。国内外学者的研究对象和各国规范中对于非线性温差曲线的规定多针对普通箱梁或T梁,槽形梁的温差模式尚不明确。

本文基于大型通用有限元软件ANSYS,根据热力学和太阳物理学等相关理论,以热流密度的形式模拟槽形梁的热边界条件,对其内部温度场进行求解和分析;对影响槽形梁内温度分布的大气透明度系数、混凝土表面辐射吸收率和梁高进行参数分析;拟合适用于槽形梁的日照温差曲线。

1 工程背景

某高速铁路槽形梁斜拉桥塔高51.8 m,孔跨布置为(32+80+112)m,全桥布置如图1所示,主梁典型断面如图2所示[3]。

图1 沪昆客运专线某斜拉桥布置(单位:m)

图2 槽形梁典型断面示意(单位:cm)

2 日照温度场理论

混凝土桥梁与外界环境的热交换可以归纳为太阳辐射、辐射换热和对流换热3种类型,如图3所示。

图3 槽形梁与外界的各种热交换示意

对于各类热交换转化为热流密度的计算方法,诸多文献已有详尽的介绍[4-8],不再赘述。以下介绍对槽形梁日照温度场计算的各项初始参数取值。

槽形梁道砟厚度0.52 m,宽度为4.9 m,并假定桥梁梁体与道砟完全接触,且各方向同性。各部分材料热物理特性见表1。

气候参数选取主要参照长沙所处的地理位置,取值如下:大气透明度系数取0.85;气温变化范围为20～ 42℃;平均风速取1.0 m/s;地理位置北纬28.4°,东经111.54°;桥梁轴线方位角0°;混凝土表面辐射吸收率取0.65,长波辐射发射率取0.88,地表短波反射率取0.2。

表1 不同材料热物理性能参数

日照温度分布采用ANSYS中的PLANE55平面板单元计算,并选取一年中辐射最强的一天6月21日进行计算,同时为消除初始因素影响,采取多天循环计算,本文中计算时长取6 d。忽略梁体与内部空气的辐射换热,且假设内部空气与外部空气不进行对流换热,空气初始温度按高于槽形断面混凝土初始温度1.5℃考虑[4]。最终把槽形梁外表面所受太阳辐射、太阳散射、大气热辐射等转化为综合的热流密度储存在边界表格中,施加在槽形梁表面。

3 槽形梁日照温度场分析

图2中所示T1、T2及T3观测点温度时程分析结果如图4所示。

图4 观测点温度变化规律示意

可以看出,受太阳辐射作用越强的部位温度变化越明显,因此槽形梁顶板温度变化幅值最大,腹板次之,底板最弱。同时,在计算到达第5 d时已趋于稳定,故选取第6天数据作为分析结果。

第6天不同时刻槽形梁腹板竖向温度分布如图5所示。

图5 槽形梁腹板竖向温度分布

由计算结果可以看出,不同时间点槽形梁温度场虽然有所不同,但竖向温差曲线模式基本相同,且上缘最大温差值均为22℃左右,下缘最大温差值为4℃左右,因此可以认为不同时刻槽形梁竖向温差模式基本相同。

4 参数敏感性分析

影响混凝土桥梁内部温度分布主要有外部和内部两种因素,其中外部因素主要为环境温度的变化作用,而内部因素主要为混凝土的热物理性质、结构构件的形状和细部尺寸等。

本节旨在对影响因素中的大气透明度系数、混凝土表面辐射吸收率及梁高进行分析,以便进一步总结槽形梁温差分布规律。

4.1 大气透明度系数的影响

大气透明度系数与海拔、水路环境和烟尘等因素有关。大气透明度系数的变化会直接影响太阳辐射强度。不同大气透明度系数下槽形梁腹板竖向温度分布如图6所示(计算时刻为下午16:00,下同)。

图6 不同大气透明度系数下槽形梁腹板竖向温度分布

由图6可以看出,大气透明度系数对槽形梁温度场影响比较明显,大气透明度系数每增加0.2,槽形梁表面最大温度升高5℃左右,但槽形梁温差曲线模式基本不变,最大温差值也均为22℃左右。

4.2 混凝土表面辐射吸收率的影响

混凝土表面辐射吸收率与混凝土表面颜色和光滑程度有关,表2为试验测定出的不同表面辐射吸收率[6]。

表2 不同混凝土表面辐射吸收率

计算不同表面辐射吸收率下槽形梁腹板竖向温度分布如图7所示。

当混凝土表面辐射吸收率大于0.5时,槽形梁温度随吸收率增大而增大,吸收率每增加0.1,槽形梁表面最大温度升高7℃左右。但当表面辐射吸收率为0.25时,混凝土放热占主要地位,混凝土内部热量逐渐流失,最终导致混凝土温度低于环境温度。同时也可以看出,在吸收率大于0.5时,槽形梁温差分布基本一致。

4.3 梁高的影响

为探讨槽形梁竖向温度分布随梁高的变化规律,分别对2.5、3.0、3.5 m和4.0 m四种梁高进行分析,如图8所示。

图7 不同混凝土表面辐射吸收率下槽形梁腹板竖向温度分布

图8 不同梁高下槽形梁腹板竖向温度分布

采用不同梁高对槽形梁内温度分布影响很小,且顶缘温差主要分布在距顶板上缘约0.4 m深度范围内,并且在0.4 m以下0.5H(H为梁高)距离内逐渐衰减至0℃,底缘温差主要分布在距底板下缘0.2 m深度范围内。

5 槽形梁竖向温差模式

基于前文中对槽形梁温度场及多种影响因素的分析,提出槽形梁的竖向温差模式如图9所示。

图9 槽形梁温差模式示意(单位:m)

槽形梁上部温差采用指数函数与线性函数相结合的方式拟合:在距顶板表面0.4 m范围内,采用Ty= T01eay形式的指数函数拟合,拟合结果得到Ty=22e-6y; 0.4 m以下的0.5H深度范围内,温度以线性衰减至0。底板中温差采用线性拟合,距底板表面0.2 m范围内,温度由4℃变为0℃。

6 结论

以沪昆客运专线上某槽形梁斜拉桥为工程背景,利用ANSYS有限元软件建立了考虑大气参数、桥址信息等因素的槽形梁平面单元模型,分析了槽形梁日照温度分布规律,探讨了大气透明度系数、混凝土表面辐射吸收率和梁高对槽形梁温差的影响,并在此基础上提出了槽形梁的温差模式,得到的主要结论如下。

(1)受太阳辐射越强的部位一天中温度变化幅值越大,但不同时刻槽形梁竖向温差曲线模式基本相同。

(2)大气透明度系数每增加0.2,槽形梁表面最大温度升高5℃左右;混凝土表面辐射吸收率大于0.5且每增加0.1,槽形梁表面最大温度升高7℃左右;梁高变化对于槽形梁温度分布影响很小;且这3种因素均不会显著影响槽形梁内温差曲线的分布趋势。

(3)分两部分拟合槽形梁的温差曲线:上缘最大温差22℃,并符合指数函数和线性函数相结合的分布规律;下缘最大温差4℃,并在0.2 m范围内线性变化至0℃。

[1] 刘兴法.预应力箱梁温度应力计算方法[J].土木工程学报,1986, 19(1):31-42.

[2] 曾志长.32 m双线预制整孔箱梁蒸养温度场及温度裂缝控制研究[J].铁道标准设计,2009(3):72-75.

[3] 戴公连,闫斌.高速铁路斜拉桥与无缝线路相互作用研究[J].土木工程学报,2013,46(8):90-96.

[4] 彭友松.混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[5] 薛嵩.槽形断面斜拉桥日照温差模式及效应研究[D].长沙:中南大学,2013.

[6] 肖祥南,戴公连.承受特殊活载的简支槽形箱梁结构设计[J].铁道标准设计,2010(4):51-55.

[7] 任翔.混凝土桥塔温度场的时变分析及温度梯度模式研究[J].铁道标准设计,2012(6):40-45.

[8] 邵旭东,李立峰,鲍卫刚.混凝土箱形梁横向温度应力计算分析[J].重庆交通学院学报,2000,19(4):5-10.

[9] BRANCO P A,MENDES P A.Thermal actions for concrete bridge design[J].Journal of Structural Engineering,1993,119(8): 2313-2331.

[10]铁道部科学研究院西南研究所桥梁室温度应力专题组.九江大桥混凝土箱形梁日照温度场与温度应力的实验研究报告[R].成都:铁道部科学研究院西南研究所桥梁室温度应力专题组,1984.

[11]Enrique Mirambell,Antonio Aguado.Distribution of temperature and stress in concrete box-girder bridge[J].Journal of Structural Engineering,1990,116(9):2388-2409.

[12]戴公连,郑鹏飞,闫斌,等.日照作用下箱梁桥上无缝线路纵向力[J].浙江大学学报:工学版,2013,47(4):609-614.

Research on Vertical Temperature Distribution Mode of U-shape Beam on High-speed Railway

XUE Song,WANG Wen-xin
(Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute,Tianjin 300051,China)

Based on the cable-stayed bridge with U-shape beam on the Shanghai-Kunming High-speed Railway and the relevant theories in respect of heat transfer and solar physics,a thermodynamics model of U-shape section is established to learn the mode of internal temperature distribution of the U-shape beam and access the influences of the parameters concerned.Based on the above,a sunshine temperature distribution curve for U-shape beam is proposed.The analysis shows that differences in time,coefficient of atmospheric transmission,surface absorption of radiation and height of the beam do give rise to the change of temperature field of U-type beam,but bring about less impact on the mode of vertical temperature difference;the modes of temperature difference of u-shape beam can be adapted in two parts with the maximum temperature difference of the upper part being 22℃adapted with the combination of exponential function and linear function,and the maximum temperature difference of lower part being 4℃reduced linearly to 0℃.

Bridge engineering;U-shape beam;Sunshine temperature difference;Parameter influence; Temperature difference mode

U238;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.020

1004-2954(2014)12-0081-03

2014-03-25;

2014-04-03

薛 嵩(1987—),男,工程师,2013年毕业于中南大学,工学硕士。