薄壁空心墩日照实测温度场及仿真分析

王家栋，梁 凯，彭建锋，黎 平，瞿 浩

(1.西南交通大学，四川成都610000； 2.中建三局第二建设工程有限责任公司，湖北武汉430000)

薄壁空心墩具有截面形式简单，传力明确，经济合理的优点，广泛被运用在山区、丘陵及市政高架桥下部结构中，研究及使用发现其受温度影响不容忽视。

桥墩长期暴露于自然环境中，在漫长的使用周期内受到太阳辐射、气温变化等环境因素作用，会导致桥墩产生不均匀温度场，这类温度场为瞬时变化并有非线性分布特征[1]，从而导致桥墩弯曲变形[2]。目前对日照温差研究多集中于上部结构[3-4]，对于下部结构的研究较少，对桥墩的日照温差亦无规范规定。

本文以石门特大桥为工程依托，基于傅利叶导热定律[5]得出墩的传热边界条件，并采用 ADINA 对空心墩截面温度场进行数值模拟，计算结果与现场实测值进行比较，验证有限元结果的正确性。

1 工程概况及测点布置

石门特大桥是一座高墩、宽幅多箱、长连续的钢-混凝土组合箱梁桥，地处张家口市涿鹿县中部，属寒温带大陆性季风气候，太阳辐射强度大，昼夜温差大。选取其中第25#桥墩作为研究对象，25#桥墩高96.7 m，桥墩为塔型变截面矩形空心墩，单箱双室。竖向共分为上中下三段，上部截面宽8 m(横桥向)×厚2.6 m(纵桥向)，中部截面宽8m(横桥向)×厚3.6 m(纵桥向)，下部截面宽8 m(横桥向)×厚4.6 m(纵桥向)，各截面变化处设置一道横隔。各标准段外壁厚0.6 m，内壁厚0.6 m。

本次试验选取离底面7 m的位置布置测点，一共布置16个测点。具体布置见图1。

图1 测点布置

其中太阳光从早晨7时左右到中午12时左右照射到墩的东面与南面，从中午12时左右到下午5时左右照射到墩的西面与南面。

2 实测数据和分析

25#墩于2017年10月27号开始浇筑，为了剔除水化热的影响，从11月11日开始记录日照温度数据，选取其中5 d的数据分析。期间天气均为晴朗天气，平均风速在3级左右。

从图2来看，11月12日的最高温度达到9.2 ℃。且温度上升速度快，可见太阳辐射强度对空心墩温度影响较大，从图中数据及其规律可以发现：

(1)由于整体气温下降，所有实测点温度曲线总体呈下降趋势，但是受日照影响呈现显著的随日照波动。

(2)同一测点，单日内最大温差4.2 ℃，发生在12#测点。

(3)同一壁厚，单日最大温差3.5 ℃，发生在南面。

(a) 1#～4#测点

(b) 5#～8#测点

(c) 9#～12#测点

(d) 13#～16#测点图2 11月11日～11月15日四面测点温度变化

3 传热边界条件分析

在对桥梁结构进行分析时发现桥梁结构与外界热交换主要分为三种：太阳辐射、辐射换热、对流换热。文献[6]利用半理论半经验公式对傅利叶传热方程进行简化，可近似计算辐射量。

3.1 太阳辐射

太阳辐射与结构所在的地理方位、地形条件、气候状态等有关，最后得到太阳辐射总量qs为：

qs=I0Pmcosφ

(1)

其中I0为太阳常数，其计算公式为：

(2)

式中：N为自1月1日起算的日序数。

式(1)中:P为复合大气透明度系数，受空气成分以及海拔高度等复杂因素影响，具有强烈的地区差别，需要根据实测数据通过统计分析，提出经验计算公式；m为光学质量，某时太阳光线路程与太阳高度角为90 °(即太阳位于正天顶)时光程路径的比值,该值随时间的变化而变化；φ为太阳入射角。

3.2 辐射换热

实际物体的辐射能力见公式：

El=εC0(273+T)4

(3)

其中ε表示物体的发射率，一般来说ε随温度变化，对于混凝土表面，可近似取值为0.90。C0为Stefan-Boltzmann常数，取值为5.67×10-8W/(m2·K4)。

通过辐射从外界通过混凝土表面进入内部的热流密度qr为：

qr=hr(Ta-T)

(4)

Ta、T分别为空气温度和混凝土表面温度;其中hr的计算公式如下：

hr=εC0(546+Ta+T)[(273+Ta)2+(273+T)2]

(5)

3.3 对流换热

混凝土表面与外界大气对流换热规律遵循牛顿冷却定律，对流换热从外界通过混凝土表面流入结构内部的热流密度qc公式为：

qc=hc(Ta-T)

(6)

式中:hc与表面形状、风速、周围空气温度等因素有关，当外界风速ν≤5.0 m/s时，可以采用Jurges-Nusselt公式进行计算：

(7)

3.4 总传热边界

根据上述混凝土结构与外界热交换的计算公式，可以建立相对完整的传热边界。边界热交换主要包括太阳辐射qs、对流换热qc以及辐射换热qr三项之和。故完整的传热边界条件为：

(8)

4 数值模拟分析

根据相关文献[7]，墩沿高度方向的温度变化不大，故可将墩的温度场问题转化成2维问题。主要考虑太阳辐射、对流换热和辐射换热的影响。在ADINA中太阳辐射可通过施加热流密度荷载的方式来模拟；对流换热是将边界定义为对流边界，然后定义换热系数；辐射换热是将边界定义为辐射边界，然后定义表面反射系数。

根据混凝土配合比和相关实验数据规定混凝土相关系数：混凝土导热系数2.4 w/(m·K)，太阳辐射吸收率AS=0.6，长波辐射发射率Al=0.88，密度2 400 kg/m3，比热930 J/kg[8-12]。

为验证软件的正确性，取软件计算结果与部分实测测点数据相比较，由于空心墩的南面为太阳直射面，温差波动较大，故选取9#～12#测点，具体见图3。

可见计算值与实测值吻合良好，数值差距不超过0.5 ℃。

(a) 9#测点

(b) 10#测点

(c) 11#测点

(d) 12#测点图3 11月12日南面测点温度变化

4.1正温差梯度

根据软件计算结果得出，最大正温差出现在11月12日14∶00左右，该时刻的温度分布云图见图4。

图4 最大正温差温度云图

最高温度出现在东南方向的角隅处，大小为13.16 ℃；最低温度出现在西北方向的角隅处，大小为6.63 ℃。

为研究空心墩的冬季最大正温度梯度，取南面沿壁厚的温度分布数据，结果见图5。

图5 最大正温差梯度

外表面温度为12.01 ℃，内表面温度为7.87 ℃，最低温度出现在距外壁0.39 m处，大小为7.72 ℃，最大温差为4.26 ℃。

4.2 负温差梯度

最大负温差出现在11月14日的5:00左右，该时刻的温度分布见图6。

图6 最大负温差温度云图

最高温度出现在内壁中间处，大小为8.24 ℃；最低温度出现在西北方向的角隅处，大小为-1.38 ℃。

为研究空心墩的冬季最大负温度梯度，取南面沿壁厚的温度分布数据，得出结果见图7。

外表面温度为1.80 ℃，内表面温度为7.29 ℃，最高温度出现在距外壁0.54 m处，大小为7.34 ℃，最大温差为5.49 ℃。

5 结论

(1) 通过对混凝土薄壁空心墩冬季的日照温度变化观测，得出桥墩受日照影响最大的是中午14∶00左右受日照直射的薄壁空心墩表面，由因日照温度有较大升高，而薄壁空心 墩内部为密闭空间，空气流动困难，造成墩身内部与外部较大的温差，实测获得最大温差4.26℃。

(2)在正确选取热传导边界之后，ADINA软件数值仿真日照温差曲线与实测数据得出的温差曲线吻合较好，可用于薄壁混凝土高墩日照温度场的预测，为混凝土薄壁高墩设计和施工提供参考。

(3)实测和仿真分析都反应在截面角隅处对于温度变化最为敏感，由于温差引起得温度应力可能对薄壁空心墩结构存在较大的混凝土开裂风险，在空心墩设计时应给予重视。

(4)受施工条件限制，本次研究仅观测了冬季环境下日照温度情况。