基于温度梯度作用下薄壁墩身位移的数值模拟分析

陈月萍

安庆职业技术学院建筑工程系，安徽安庆，246003

1 问题的提出

对于一般的桥梁设计来说，外界环境温度变化所引起的温度荷载的变化是广大设计者首先要考虑的因素［1］。而对于薄壁箱型桥墩的温度荷载主要是日照温差荷载与寒流、降温温差荷载。本文以日照温差荷载来进行计算，并且采用软件建模分析［2］。现有的研究资料仅考虑混凝土墩身在温度作用下的应力分布情况，现今在桥墩施工中对于高墩墩身垂直度和线型的控制比较严格。为了能解决工程中的实际问题，本文利用数值模拟的方法，探寻混凝土桥梁桥墩在温度荷载的作用下墩身位移的变化规律。

2 非线性温度计算方法

简化的空心矩形截面参数：截面高度为h，宽度为b，空心部分为b0，壁板厚度均为δ。沿横截面高度方向的温度变化用下式表示［2］：

式中，T0为日照温差，T0＝t1－t2，见图1；α为指数系数，一般取10；y为计算日照下的距离（以m计）。

式中，α为线膨胀系数，T（y）为横截面高度温差分布。

由弹性力学平截面假定，该构件应变为：

自由约束应力为：

在阳光照射下，设桥墩曲率半径为ρ，曲率为：

而ε2＝

图1 截面温度梯度变化

3 温度梯度

目前，国内外对于薄壁高墩温度梯度的研究比较薄弱［4］。在软件系统中，把截面内部的温度分布情况模拟为非均匀温度时，利用软件中自带的截面温度功能输入温度荷载［5］。墩身布置传感器，如图2所示。考虑日照效应的影响，结合温度传感器布置的位置，对混凝土墩身表面的测量布置如图3所示。

图2 传感器分布图

图3 混凝土温差测量位置

4 实测数据分析

对贾家湾大桥的左右幅12＃墩身混凝土表面温差进行了每隔1小时的连续测量，左幅两相对面温差如图4所示。测量结果表明，沿桥向的两相对面混凝土表面（即AB面，如图3所示）的最大温差为7.8℃，横桥向的表面（即CD面）的最大温差为15.9℃。本文对现场高墩各截面最不利的温差情况统计如图5和图6所示，高墩20m处的温度梯度。

图4 贾家湾大桥12＃墩混凝土表面温差测量值

图5 温度上升的梯度变化

图6 温度下降的梯度变化

5 有限元数值计算分析

采用有限元软件 MIDAS／CIVIL建立有限元模型如图7所示。在本软件中，处理温度荷载时，程序有单元温度荷载、节点温度荷载、温度梯度荷载和系统温度荷载。本文以温度梯度荷载的添加进行数值模拟计算，如图8所示。

图7 有限元模型

图8 温度梯度的模型

对贾家湾大桥52m的薄壁高墩进行分析。经过有限元数值模拟软件计算，得到高墩两相对面温度差引起的横桥向的位移见表1，为了能够直观反映不同温差的变化，作分布图，如图9所示。相对侧面由不同温度梯度所产生的轴线位移见表2，分布图如图10所示。

图9 不同墩身高度在不同温差作用下墩身水平位移

图10 不同墩身高度在不同温差作用下墩身轴线位移

表1 相对侧面由不同温度梯度所产生的水平位移／mm

表2 相对侧面由不同温度梯度所产生的轴线位移／mm

6 结 论

结合本文上述分析结果可以看出，在薄壁桥墩建设过程中，当桥墩不同桥向的温度差为5℃时，墩身顶端处的位移存在的最大值为：横向位移8.5 mm、纵向位移为4.9mm；当桥墩在外界温度荷载下温度差为20℃时，墩身顶端处的位移存在的最大值为：横向位移47mm、纵向位移为20mm。因此，合理控制墩身截面的温度梯度对控制墩身的变形有重要意义，只有控制好墩身的变形才能控制墩身的稳定性和整个桥梁结构的稳定性，在桥梁建设和桥梁运行的过程中显得尤为重要。

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