钢筋混凝土空心薄壁桥墩温度场及温度效应计算软件研发

2018-11-28廉虎山赵国军

江西建材 2018年13期

陈钒,廉虎山,赵国军,王超

(中电建路桥集团有限公司,北京 100048)

1 引言

混凝土空心薄壁高墩桥梁在地表高差悬殊的山岭重丘区以及陡坡深谷地貌环境中得到广泛的应用。基础顶面至墩顶的距离超过50m的桥墩被称为高墩,墩高60m以上多采用混凝土空心薄壁墩。混凝土空心薄壁墩受不均匀日照温度的影响较大,由于混凝土结构的热传导性能差,周围环境气温及太阳辐射等作用将使桥墩表面温度迅速上升或下降,但桥墩内部的温度往往仍处于原来的状态或变化不大,从而在混凝土结构中形成了较大的温度梯度。由此产生的温度变形,当被结构的内、外约束阻碍时,会产生相当大的温度应力。研究表明在空心桥墩中存在相当大的温差,在壁厚为0.25m的矩形薄壁空心桥墩中,当墩内外的气温差只有2-3℃时,桥墩内外表面的温差可以达到15℃以上[1,2]。在气温较高及太阳辐射强时温差将更大,将产生更大的温度应力。因此在设计、施工和养护过程中,对空心薄壁高墩结构的温度场及温度效应进行分析是十分必要的。

目前,钢筋混凝土空心薄壁桥墩温度场及温度效应等问题的分析多采用商业有限元软件。商业有限元软件功能强大,计算精度较高,但操作复杂,需要较高的桥梁专业基础及有限元知识,适用人群较小。本计算软件编制的目的正是为了使更广大的桥梁工作人员能够较为简便的分析钢筋混凝土空心薄壁桥墩温度场及温度效应等问题。利用本软件只需掌握基本的桥梁知识,不需要建立复杂的有限元模型,只需输入基本参数就能得到较为准确的计算结果。

2 总体设计

2.1 软件概述

为方便工程人员对钢筋混凝土空心薄壁桥墩温度场及温度效应的计算分析,编制此软件。工程人员将桥梁基本信息,包括桥梁名、桥梁所在地经度与纬度、计算日期、当地地理气象环境、桥梁结构参数等输入软件窗口界面,软件系统根据输入的基本参数进行内部建模计算,最后以图片、文本等格式输出计算结果。

该软件能够有效、快速、可靠、无误的完成上述操作,且软件界面简单明了,易于操作。

软件提供两种不同精度的计算结果,一种为一维温度场简化模型[3],该模型通过对温度场热传导边界条件的合理简化,推导出解析方法,使用ANSYS的APDL可编程语言编写的计算程序,但并没有用到ANSYS的任何有限元分析功能。该方法计算速度快,结果形式简单,为坐标和对应的温度分布。另一种分析方法为二维平面有限元分析,该方法通过对ANSYS有限元软件的二次开发,采用有限元方法计算温度场及温度应力分布,可以通过网格划分的尺寸控制计算精度。计算时可以根据不同的需求进行选择。

2.2 软件结构

软件结构见图1。

3 软件主要功能

3.1 主界面——计算方法选择

该软件共提供两种计算方法,第一种为精细化建模计算方法,需要输入桥墩截面尺寸,按照平面问题计算桥墩截面的温度场及应力场；第二种为简化计算方法,改方法用于计算混凝土桥墩沿壁厚方向的温度场效应,为一维温度场分析。通过点击主界面右下角的控制按钮即可选择需要的计算方法,并计入计算界面。

图1 软件结构图

3.2 简化计算

简化计算主要界面桥梁模型参数及基本信息输入见图2。

图2 简化计算界面桥梁模型参数及基本信息输入

(1)桥梁基本信息输入

在截面右上端基本信息输入栏输入桥梁基本信息,主要有桥梁名称、计算日期、所在地纬度、桥墩外法线方位角、日辐射总量、最高温度、最低温度、风速、大气透明系数、地面环境短波反射系数等。

其中日期为拟计算温度效应的日期；所在地纬度指的是北纬度数；桥墩外法线方位角为要计算的桥墩表明外法线与正北方的夹角；日辐射总量单位为MJ/m2,可通过查气象资料得知,如果未知,输为零(输入零时,日辐射总量根据大气透明度系数计算得知；如果输入数据不为零则根据输入的日辐射总量计算大气透明度系数)；最高温度、最低温度为当日桥梁所处位置的最高气温与最低气温；地面环境短波反射系数,一般取0.2,积雪地面取0.7。

(2)输入模型参数

在左下角模型参数输入栏输入模型基本信息。主要有材料导热系数、材料密度、材料比热容、需要计算的桥墩的壁厚、模型表面太阳短波辐射吸收率、黑体辐射系数、模型表面辐射率、厚度方向单元划分数、计算时间间隔数、傅里叶级数项数等。其中,厚度方向单元划分数为模型建立时,单元网格的划分数量；计算时间间隔数为温度场结果的时间间隔数(如输入25,计算结果从0值24小时每隔1小时输出一次,共计25次；如输入49,计算结果从0值24小时每隔0.5小时输出一次,共计49次)；傅里叶级数项数为计算过程中傅里叶变换时采用级数长度,一般选取4即可满足计算精度要求。

(3)数据存储

在右下角数据存储栏选择数据存储位置,点击生成数据文件,即可将以上输入数据以文本形式保存,文件名即为输入的桥梁名称。

(4)温度场计算

点击计算按钮,弹出桥梁输出选择窗口,选择要计算的桥梁数据(即第三步保存的数据),并输入输出结果文件名,点击计算,即可得到温度场结果。温度场数据以文本形式保存,保存的位置即为导入的桥梁数据存储的位置。数据第一列为时间,第二列及以后各列为沿厚度方向的温度值。

3.3 精细化建模

3.3.1 桥梁基本信息输入

在界面右上角输入桥梁基本信息(图3),包括桥梁名称(建议使用英文或拼音),桥轴线方位角,所在地经度、纬度等。其中桥轴线方位角为桥梁轴线走向与正北方的夹角,顺时针为正。然后再右下角位置处选择项目存储位置,点击模型建立按钮进入建模界面。

图3 桥梁基本信息输入

3.3.2 输入天文地理条件

在天文地理条件栏输入桥梁所处位置的天文地理条件参数(图4)。主要有地面环境短波反射系数、大气及地表环境辐射率、最高气温、最低气温、风速、计算日期等。各参数的选取同简化计算中参数选取。

图4 桥梁天文地理条件输入

3.3.3 模型建立

(1)截面数据读入

如有以往建立的截面时,可直接读入,如没有,新建截面信息。尺寸输入栏输入截面基本尺寸,截面名称即为数据保存的文件名,各截面参数依据左侧图示输入；对于已经有上部结构的桥墩,上部结构的遮阴效果对桥梁温度场有一定影响,上部结构数据栏考虑了上部结构造成的影响。根据上部结构各输入尺寸的图示,依据图示输入上部结构各参数。在数据存储栏,选择截面数据存储的位置,生成截面数据。

图5 截面建立界面

点击完成按钮,返回模型建立窗口。

在截面参数窗口选择待计算的截面,点击适用按钮,即可成功导入截面。点击显示截面特性按钮即可查看所选截面特性[4-7]。

图6 截面特性浏览

(2)材料数据输入

如有以往建立的材料数据时,可直接读人,如没有时,新建材料。依次输入材料名称、材料密度、材料泊松比、材料弹性模量、材料线膨胀系数、材料导热系数、材料比热容、模型表面辐射率、模型表面太阳短波辐射吸收率等基材料参数,选择数据存储位置,点击生成材料数据按钮,即可生成材料数据。

图7 材料特性输入及查看界面

点击完成按钮返回模型建立界面,在材料输入栏选择要计算得材料类型,点击适用,材料选择完毕。点击显示材料特性即可查看所选材料的物理参数。

3.3.4 温度场分析

在截面输入栏选择要分析的截面,在材料输入栏选择截面材料,在结果存储位置栏选择温度场结果存储的位置,点击温度场分析按钮,软件将依据选择的截面及材料建立平面模型,分析截面温度场,分析过程较为复杂,耗时一般在15至20分钟之间,软件将在结果存储路径下建立以桥梁名称命名的文件夹存储温度场分析结果数据。由于过程中产生的数据量较大,建议计算前硬盘要有足够的剩余空间(4G以上)[8-10]。

计算完成后,点击结果查看按钮,进入结果查看界面。

在截面输入栏选择要分析的截面,在材料输入栏选择截面材料,点击温度场分析按钮,软件将依据选择的截面及材料建立平面模型,分析截面温度场,分析过程较为复杂,耗时一般在15至20分钟之间,软件将在项目存储路径下建立以桥梁名称命名的文件夹存储温度场分析结果数据。由于过程中产生的数据量较大,建议计算前硬盘要有足够的剩余空间(4G以上)。

结果查看

在温度场数据读入栏选择要查看的温度场数据(即第三步中保存的温度场结果数据),右侧文件栏显示的后缀为“.temp”文件即为温度计算结果文件,文件名后四位数字表示温度场结果对应的时间,如tlr0430表示4点30分时截面各点的温度场计算结果。选择要查看的温度场结果,点击温度场查看按钮,即可得到该时间点的温度场分布图,如图8所示。点击显示初始图形按钮显示截面单元网格划分图。

3.3.5 温度应力分析

选择要进行应力计算的温度数据,输入应力计算基准温度,即可对该温度场下的截面应力进行分析运算。在计算结果中可以查看X、y、Z方向应力云图(图9)。温度场结果与应力场结果同时会以文本形式保存在结果文件夹中。