混凝土空心薄壁高桥墩温度场及温度效应分析

陈 钒， 蒲文明， 赵国军， 王 超

(中电建路桥集团有限公司, 北京 100000)

混凝土空心薄壁高桥墩温度场及温度效应分析

陈 钒， 蒲文明， 赵国军， 王 超

(中电建路桥集团有限公司, 北京 100000)

为了研究日照温差荷载对混凝土空心薄壁高墩的影响，文章以重庆柴家沟大桥为背景，通过对桥址处大气温度、太阳辐射强度、风速，以及对桥墩中预埋温度、应变传感器的测试，得到桥墩在最不利天气中24 h的温度分布及应力分布情况的实测值。并与通过有限元计算得到相应的理论值做对比分析，研究日照温差效应对混凝土空心薄壁高墩的影响程度，为今后混凝土空心薄壁高墩的设计、施工提供参考依据。

空心薄壁墩； 温度场； 温度效应； 有限元； 应力

在60 m以上的高墩桥梁中大多采用钢筋混凝土空心薄壁墩。空心薄壁墩可以节省材料、减轻自重、抗扭惯性矩较大、用于高墩稳定性较好，但因其对温度变化敏感，特别是日照温度效应对桥墩的应力和变形的影响较大[1-3]。因此，对施工过程中的桥墩，分析其在日照温差较大或者太阳辐射较强的不利天气里的温度场、应力分布及位移是十分必要的。本文以重庆柴家沟大桥为背景，分析研究了79 m高、壁厚0.5 m的混凝土空心薄壁桥墩在日照温差作用下的温度效应。

1 工程概况

柴家沟大桥位于重庆市忠县金鸡镇白龙村，左幅桥3#～7#墩一联上部结构采用40 m预应力混凝土后张T梁，先简支后连续；下部结构采用钢筋混凝土薄壁空心桥墩，承台桩基础，桩基为嵌岩桩。桥面净宽为2×净-10.75 m，设计荷载等级为公路-I级 。桥址处气候属亚热带季风性温湿气候，四季分明，气候温和，日照充足，雨量充沛，具夏秋多雨、冬春多雾的特点。多年内年平均气温18.1 ℃。降雨多集中在每年的5～9月，约占每年降雨总量的70 %。

柴家沟大桥设计线路走向236°，设计桥面高程618.56～613.78 m。桥位区地形较平缓，地形坡角5°～25°，梁平岸桥台为桥位区最高点，地面高程639.10 m；最低点位于K47+623左侧溪沟出水口处，地面高程529.50 m，相对高差100.60 m。

混凝土空心薄壁墩温度效应最不利情况主要由不均匀温度分布引起，引起桥墩温度不均匀分布的主要因素为日照。本文通过有限元分析与实测相结合的方式，研究最高墩4#墩(高79 m、壁厚0.5 m)在日照荷载下的温度分布、应力分布及墩身位移。4#墩采用C30混凝土，桥墩截面沿轴线方向宽度为3 m(墩顶)～4.58 m(墩底)，从墩底到墩顶变化范围为0～158 cm，截面横桥向宽6 m，壁厚0.5 m，倒角0.3 m×0.3 m。墩身顺桥向按100∶1放坡，横隔板按间距10 m布置，并开设200×80 cm的人孔，泄水孔、通气孔直径10 cm。

2 测试断面及测点布置

在4#桥墩墩高1/2及墩顶处布设温度、应力及位移测点，进行温度场及其温度效应(温度应力、温度位移)测试。测点埋设时避开钢筋，因为钢筋和混凝土的导热系数相差很大，如果测点埋设在钢筋上，测量的温度不能反映混凝土的温度。在桥墩截面上沿4个墩壁各布置4条测线，每条测线上埋设5个温度传感器，其中4个温度测点沿外表面每间隔5 cm布设一个，1个温度测点布设在距离内壁5 cm处。温度测点布置见图1。4#墩应力测点布置见图2，测点距离外边缘15 cm。

图1 温度测点布置

图2 应力测点布置

选择合适的天气进行测试，即连续3 d晴天以上、风速小于2 m/s。结合施工进度及测试数据的有效性，本文选择研究的日期为2015年8月30日，当日最高温度33 ℃，最低温度20 ℃，最大温差13 ℃，当日最大风速2 m/s。

3 混凝土薄壁空心桥墩温度场及温度效应有限元分析

采用ANSYS有限元软件建立4#桥墩的有限元模型(图3)，对桥墩温度场及温度效应进行分析。由于温度沿桥墩高度方向上的变化很小，测试结果显示温差不到2 ℃，因此采用二维有限元模型模拟桥墩截面，采用Plane55单元。计算当日最大温差为13 ℃，最高温度33 ℃，最低温度20 ℃，桥址处东经107°58′、北纬30°18′。4#墩处桥梁线路走向与正北方向夹角231°31′。地面环境短波反射系数取0.2，模型表面辐射率取0.9，模型表面太阳短波辐射吸收率取0.65，大气及地表环境的辐射率取0.82，空心墩内对流热交换系数取3.8。

4 测试结果及理论分析

4.1 温度测试结果及分析

4#桥墩温度变化最大的位置出现在西南墩壁外侧，即1-1测点，24 h内不同时刻测点温度分布见表1。从表1可以看出，4#墩位于西南方向的外侧面测点1-1变化幅度最大，最高温度出现在17:00，达到50.8 ℃，最低温度出现在6:00，为34.4 ℃。24 h温差达到16.4 ℃，实测温差最大16.5 ℃。位于东北面的外侧面测点2-1，最低温度出现在6:00，为28.9 ℃，最高温度出现在16:00～18:00，为34.7 ℃。实测值和理论计算值差值均在1.6 ℃以内。

4#墩西南面1-1测点、东北面2-1测点24 h温度变化曲线见图4。从图4中可以看出，桥墩西南壁面外表面温度一直高于东北面，且在日照作用下温度上升较快，这是由于西南面日照时间较长，且日照强度较高。实测温度与理论计算温度吻合较好。4#墩西南面1-1测点和东北面2-1测点在同一时刻最大温差出现在17:00，为16.1 ℃。

图4 4#墩外表面测点24 h温度变化

4#墩西南面1-5测点、东北面2-5测点24 h温度变化曲线见图5。从图5中可以看出，桥墩西南面内表面附近温度一直高于东北面，但温差不大，最大温差为3.6 ℃，出现在23:00～3:00，温度变化比较平稳，且温度变化规律与外表面温度有一定程度的滞后，说明混凝土材料的导热性较差。

图5 4#墩内表面测点24 h温度变化

4#桥墩西南面壁面(1-1测线)24 h内不同时刻的温度分布见图6。从图6中可以看出，4#桥墩西南壁面外表面在16:00温度达到最高值，为54.8 ℃，随后开始降温。厚度为50 cm的空心薄壁墩在距离外表面30 cm范围内温度变化明显，桥墩一日内最低温度出现在6:00。

图6 桥墩西南面壁面(1-1测线)24 h内不同时刻的温度分布

4#桥墩西南壁面1-1测线5个测点24 h温度历程见图7。从图7中可以看出，外侧测点温度最先达到最高值，随着测点距离外表面越来越远，测点温度达到最高值的时间有延迟。靠近内表面的温度测点1-5的变化趋势与外侧测点滞后较多，且温度变化不大。

图7 1-1测线5个测点24 h温度历程

4.2 应力测试结果及分析

应力传感器布设位置处实测应力及理论应力见表2。由表2可以看出，1测点(桥墩西南方向墩壁靠外侧中部)的沿长边方向最大拉应力出现在5:00，为1.25 MPa，5测点(桥墩东北方向墩壁靠外侧中部)的沿长边方向最大拉应力出现在6:00，为1.00 MPa。各应力测点有限元分析的理论值和实测值偏差均在9 %以内。

表2 4#墩温度应力

由于应力测点布设的限制，没能测到桥墩表面最大拉应力。借助有限元软件，可以分析得到：4#墩外表面沿桥墩平面长边方向最大温度应力为2.506 MPa，出现在西南面外表面靠近南方角点附近，时间约在4:00；4#墩外表面沿桥墩平面短边方向最大温度应力为2.216 MPa，出现在东南面外表面靠近南方角点附近。

4.3 位移测试结果及分析

墩顶位移24 h变化曲线见图8。墩顶横桥向位移最大值出现在13:00，为15 mm(实测值为10 mm)，顺桥向位移最大值出现在11:00,为25 mm(实测值为20 mm)，绝对位移最大值出现在11：00，为28.0 mm(实测值为22 mm)，28/79000=1/2821。施工规范中桥墩垂直度质量检验标准是0.3 %H且不大于20 mm。4#墩的0. 3 %H=237 mm，且不大于20 mm，只能取20 mm。而当日照温差为13 ℃的时候，温度位移已达到28.0 mm，超过规范值，因此施工规范中桥墩垂直度的质量检验标准对于高墩是不适用的。理论值与实测值符合较好，理论值均大于实测值，这是由于理论值的边界条件比实际情况更绝对。

图8 墩顶位移24 h变化曲线

5 结论

通过有限元法分析柴家沟大桥4#墩在日照温度作用下的温度场及应力、位移并采用实测结果进行验证，说明有限元分析模拟的有效性。在温差13 ℃的晴天，柴家沟大桥4#墩最大截面温差为16.1 ℃，日照温度产生的温度应力最大值为2.506 MPa，温度产生的最大位移为 28.0 mm，超过施工规范中桥墩垂直度的质量检验标准规范值。因此施工规范中桥墩垂直度的质量检验标准对于高墩是不适用的，这说明在设计和施工过程中对桥墩进行日照温度效应分析是必要的。

[1] 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.

[2] 蒋国富．大跨径桥梁高墩日照温度效应的研究[D]．西安：长安大学，2005．

[3] 李前名．预应力混凝土箱梁桥温度场及温度应力的分析与研究[D]．成都：西南交通大学，2006.

[4] 余异雄．柔性墩温度场场形及影响因素的分析[J]．江汉大学学报，1998(6).

[5] 陈建伟．薄壁高墩大跨连续刚构若干关健问题研究[D]．杭州：浙江大学，2006.

[6] 段永灿.薄壁高墩预应力连续刚构桥温度效应研究[D].西安：长安大学，2010.

[7] 中华人民共和国交通部部颁标准.JTG D60- 2015公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社, 2015.

[8] 中华人民共和国交通部部颁标准. JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社, 2004.

[定稿日期]2017-11-13

陈钒(1972～)，男，硕士研究生，教授级高级工程师，从事桥梁工程技术工作。

TU33+8

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