混凝土箱梁横截面温度场的实测与仿真分析

丁笑笑，刘 凡

(苏州科技学院)

混凝土箱梁横截面温度场的实测与仿真分析

丁笑笑，刘 凡

(苏州科技学院)

通过实测混凝土箱梁模型的温度场同时用有限元软件模拟验证，得到温度影响下的混凝土箱梁横截面各部位的温度场的变化情况，在此基础上结合实测数据与模拟计算数据，提出了混凝土箱梁横截面顶板的温度差计算模式的建议。

混凝土箱梁;温度场;温度梯度

0 引言

箱梁因其良好的受力性能在现代大型结构尤其是桥梁中得到广泛应用，但因其长期受自然环境及日照作用的周期性影响，导致混凝土箱梁结构产生的随时间变化的非线性温度应变，而当这种温度应变受到结构的内、外约束阻碍时，会产生很大的温度应力。近年来，国内外不断有温度应力导致的箱梁裂损事故。而要准确确定温度对箱梁的影响就要明确温度应力的分布及其形成因素。

本文通过试验实测出混凝土箱梁沿横截面的温度场分布，同时用有限元软件模拟验证，在此基础上拟合出一种适合本地区的温度梯度模式，供工程实践参考。

1 箱梁温度场的实测与数据分析

由于箱梁受野外工作环境不确定因素的影响较多，采用室内光照加载的方式模拟了室外太阳辐射、气温升高的自然环境，实测混凝土箱梁(简支梁)实体模型内的温度变化情况。模型长2 m。

梁高0.6 m，顶宽0.8 m，底宽0.4 m，箱梁尺寸及配筋如图1所示。

图1 箱梁尺寸图

选取箱梁跨中断面为温度观测截面并将温度传感器预埋在截面相应的测点位置，温度传感器采用江苏润江产的JDC－2混凝土温度传感器，测试仪器采用配套的电子测温仪。记录观测时间、环境温度、混凝土表面温度、箱内温度境温度、混凝土表面温度、箱内温度以及温度测点温度。根据气象数据显示2014—11—12日天气晴好，故选择在这一天进行试验，测试时间为早上8点至下午5点，测试时采用连续观测方法，每隔20 min采集一次数据。从8点到下午14点模拟室外环境温度升高的情况，从14点到17点模拟室外环境温度降低的情况。温度传感器测点布置、实验图片如图2所示。

图2 温度测点布置图

2 温度观测结果及分析

2.1 顶板

图3为箱梁顶板中部温度、室内环境温度及箱内温度随时间变化的曲线图，可以看出从早上8点10分开始，室内环境温度从15.6°开始上升，至14∶10分升到最高40°，下17∶10分降至22°。而箱内温度变化平稳，平均值为20°。

图3 顶板中部实测温度—时间曲线图

图4 顶板腹板处、悬挑处实测温度—时间曲线图

顶板中部，接近顶板上缘的1点与混凝土表面温度走势几乎相同，在14∶10分分别达到最大值51.8度和52.8度。2点、3点与1点的温差分别为4.4度和7.7度。

图4为顶板腹板处温度、悬挑处。

温度随时间变化的曲线图，腹板处接近上缘的14点下午14∶30分升到最大值45.6度，与腹板中部测点13及腹板下缘测点12的温差分别为3.2度及7.8度。

悬挑处的测点20在下午14点10分达到最大值42.8度，与测点19、18的温差为2.6度及5.1度。

2.2 腹板

随着腹板高度的增加，腹板各测点的温度梯度逐渐增大，且当环境温度下降时，腹板部位除了位于板肋交接部位的12点，其余测点的温度依然在升高，下降趋势并不明显。

测点7、8、9位于箱梁高度方向270 mm的水平方向，接近腹板中间位置，相对于箱梁顶板的温差，腹板箱内、箱外测点实测温差很小，不超过2度。

2.3 底板

箱梁底板的中部的3个测点及底板腹板处的测点4的温度变化曲线几乎重合，且变化曲线平稳，平均温度为18.2度。

2.4 箱梁实测温度场分析

(1)由于箱梁顶板所受的光照辐射最强，箱梁顶板受温度影响最为敏感，不仅沿顶板高度存在较大的竖向温差，顶板中部、顶板腹板处和顶板悬挑部位也存在横向温差，上缘最大横向温差达到9℃。

(2)腹板由于受到翼缘板的遮挡，受到的光照辐射比顶板少，所以腹板内壁与外表面的温差很小。但腹板沿高度方向的温度差异明显。

(3)由于箱梁底板受到的光照辐射几乎为零，底板气温变化幅度很小，相对于箱梁顶板，底板的温度变化平稳。

3 模型验证

本文采用ANSYS12.0对混凝土温度场进行模型验证，由于本文不考虑钢筋对箱梁温度场的影响，所以选取六面体单元SOLID70创建实体单元并采用四边形单元进行映射网格划分。密度、导热系数和比热取2 500 kg/m3、2.5 W/m.K及1 920 kJ/(kg·℃)。

采用“综合气温”的方法将辐射、对流、传导统一用对流来代替施加，将综合大气温度、综合对流系数施加于箱梁有限元模型的各个边界。由于顶板受到的光照辐射最强，所以顶板的综合气温取为37.5+22.5×sin(15×(t－5)－60)，综合对流系数取为21，腹板的光照辐射小，腹板的综合气温取为20+5×sin(15×(t－5)－25)，综合系数取12，而底板及箱内受到的光照辐射几乎为零，所以底板的综合气温取为17.5+2.5×sin(15×(t－5)－20)，综合系数取8，箱内的综合气温和综合系数为20℃、3.5。

经过有限元求解，可以得到箱梁每一时刻的温度场。可以看出顶板与腹板交界处的温度场最为复杂。

通过将计算有限元计算所得数据与实测数据对比如图5，可知:两者不仅规律上相似，且误差在1度内，说明基于实测气象数据建立的有限元模型可以准确模拟箱梁实际温度场。

4 温度梯度形式拟合

通过前面的分析比较可知，箱梁两侧腹板中部及底板中间的温度值很稳定;而在顶板中间部位，温度沿梁高方向变化幅度大。所以主要分析箱梁横截面顶板的竖向温度梯度。由于顶板温度一般出现梯度变化最大在14∶00左右，所以14∶00的顶板温差是最具研究意义。假设箱梁顶板温差的函数为

式中:T0为箱梁顶板截面沿梁高方向的最大温差，℃;Ty为计算点的温差值，℃;y为计算点到箱梁顶板外表面的距离，m;b为系数。最大温差值和系数决定了整个箱梁断面的温度差异分布形式，为此通过最小二乘法将上表数据进行拟合，得到T0=29，b=7.13，对其取整就可得到T=29e－7y。

图5 计算数据与实测数据对比图

表1

将本文所得的温度梯度与各国相关规范中的温度梯度分别进行比较，并将用相对误差的形式表现出来(见表1)。可以发现，数据比新西兰、澳大利亚的规范的计算值小，比英国规范的计算值大，与我国铁路桥涵设计规范的计算值最接近。

5 结束语

(1)由于混凝土箱梁各部位所受的光照辐射各不相同，所以箱梁各板件的温度场也各不相同，其中顶板对温度变化敏感，腹板和底板温度变化稳定，同时箱梁不仅在沿竖直方向存在明显的温差，而且箱梁顶板与箱梁翼缘板之间上缘跟下缘均存在横向温差，最大可达9℃。而温度梯度对桥梁结构应力状况影响显著，因此建议，实际工程中应重视温度对箱梁应力、应变的影响。

(2)根据回归分析，混凝土箱梁顶板的最大竖向温差分布形式基本可以用T=29e－7y的形式来表示，这一温度梯度模式可以适用于气候条件与本地相近的地区。将温度梯度模式与各国相关规范中的温度梯度进行比较，发现计算的温度梯度与英国规范计算值的相对误差最大，与我国铁路桥涵设计规范计算模式的温度梯度值最接近。

［1］ 范立础.桥梁工程［M］.人民交通出版社，2001.

［2］ 凯尔别克.太阳辐射对桥梁结构的影响［M］.刘兴法等译.北京:中国铁道出版社，1981.

［3］ 彭友松.混凝土桥梁结构日照温度温度效应理论与应用研究［D］.西南交通大学博士学位论文，2007.

［4］ 叶见曙.贾琳.混凝土箱梁温度分布观测与研究［J］.东大学学报，2009.

［5］ 刘兴法.预应力混凝土箱梁温度应力计算方法［J］.土木工程学报，1986.

U442

C

1008－3383(2015)10－0084－02

2015－03－13

丁笑笑(1991－)，女，硕士，研究方向:土木工程。