青藏高原地区钢管混凝土拱桥大温差温度效应

周大为,邓年春,郭 晓,石 拓

(广西大学 土木建筑工程学院,南宁 530004)

0 引 言

钢管混凝土拱桥自20世纪90年代四川旺苍东河大桥的建成后,因其优异的结构性能在国内得到迅速发展[1],对其温度问题的研究也随之展开。经过几十年的研究已经取得一定的成果,但是针对青藏高原高海拔极端天气频发地区，结合实桥的研究却很少。 根据1978—2004年实测资料统计,青藏高原地区多年平均气温9.2 ℃,月平均最高和最低气温分别为16.6和0.3 ℃,极端最高和最低气温分别为32.0和-16.6 ℃,变化幅度达48.6 ℃。昼夜温度变化大、极端天气频发等复杂的环境特点,使得处于该地区的桥梁受温度影响很大,不可忽视。外部温度变化引起拱肋内部温度场变化,当变形受到内外条件约束时将产生较大的附加温度应力。

刘振宇等[2]对钢管混凝土结构粘结性能进行了研究,并设计了对钢管混凝土法向粘结强度的试验,当混凝土与钢管之间的拉应力大于法向粘结强度时,二者发生脱粘。李艳玲[3]采用温度箱模拟了昼夜大温差条件下钢管混凝土截面的温度分布及温度效应,分析结果表明,温差较大时,钢管和混凝土应力应变较为显著,且钢管数值大于混凝土,可能导致二者脱粘问题的发生。祁强等[4]对西北地区大温差条件下的钢管混凝土构件脱粘问题进行研究, 结果表明, 在大气温度作用下截面温度呈现非线性分布, 大气温度的降低可能导致钢管和混凝土脱粘问题的发生。 靳忠强[5]对严寒环境下钢管混凝土结构的粘结性能进行研究发现,随着温度的降低, 钢管和混凝土之间的粘结强度呈线性降低。 文献[6-7]对钢管混凝土拱桥年温差温度效应进行了计算, 结果表明,降温条件下钢管混凝土拱脚处将产生较大的温度内力,其中混凝土产生较大的温度拉应力。

为研究此类环境下温度对桥梁的影响,以川藏铁路拉林段藏木雅鲁藏布江特大桥为研究对象,对该桥在实际大气温度日变化以及年温差变化下温度效应进行研究。

1 工程概况

川藏铁路拉林段藏木雅鲁藏布江特大桥采用一跨过江方案：主跨为430 m的中承式钢管混凝土拱桥,全桥主梁为一联五跨的预应力混凝土连续梁,孔跨布置为(39.6+32)m连续梁+430 m中承式钢管混凝土拱桥+(28+34.6)m连续梁,桥梁总长525.5 m。其拱肋截面采用四肢桁式和横向哑铃桁式相结合的截面形式,上弦拱脚1.5节段和下弦拱脚3.5节段采用直径1.8 m钢管,其余拱肋节段采用直径1.6 m钢管。该桥位于西藏自治区山南地区加查县桑加峡谷内。拱肋钢管均采用Q420qENH,管内灌注C60无收缩混凝土,腹杆和横撑以及上下平联均采用Q345qDNH,吊杆采用抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线制成,主梁连续梁梁部采用C55预应力钢筋混凝土,边墩采用C40钢筋混凝土。

2 有限元方法验证

2.1 试验简介

为验证有限元法计算对大管径钢管混凝土拱肋的适用性, 采用足尺寸钢管混凝土构件进行温度分布监测试验。 钢管采用与藏木雅鲁藏布江大桥管径相同的1.6 m管径, 壁厚10 mm; 为避免轴向产生热传导, 管长达2.0 m, 且上下层设置保温层;管内灌注C60无收缩混凝土。 用热敏电阻型温度传感器沿径向按等间距布置,截面沿竖向和横向共布置13个温度传感器, 采用定位钢筋骨架将其固定于包塑钢绞线上。 温度采集采用基康无线温度采集系统， 温度数据采集间隔设置为10 min/次， 温度采集系统见图1。 测试截面及测点布置见图2。

2.2 有限元计算分析

采用大型有限元分析软件ANSYS对截面温度分布情况进行分析。 假设钢管混凝土构件沿轴向不存在热传导, 将三维空间温度分布问题转化为二维平面问题进行分析。 采用平面热分析PLANE55单元,并认为钢管和混凝土之间热流连续,划分网格后的模型如图3所示。 本文研究目标为大气温度循环作用下截面温度分布情况, 故仅考虑对流换热对截面温度分布的影响。

对钢管混凝土构件进行连续11 d无日照温度分布计算以消除初始时刻截面非线性温度分布的影响,并与实测值进行对比分析以验证ANSYS对钢管混凝土结构对流换热计算的适用性。11 d大气温度时程变化见图4。

大气温度的日变化过程具有一定的规律性, 在分析过程中可以将其拟合为关于时间的连续正弦函数,最高和最低气温采用11 d内的平均最高和平均最低气温进行计算。

图1 大管径钢管混凝土拱桥模型温度采集系统

图2 钢管混凝土构件截面温度测点布置图

图3 有限元计算模型

图4 大气温度实测值

式中:Tmax、Tmin为一天当中最高和最低气温,℃;t表示所处时刻;t0表示影响日大气温度最高和最低温度发生的中间时刻,如t0=9,则最高气温出现在下午15时,最低气温出现在凌晨3时[8]。

表1为连续计算第10天不同时刻截面各测点温度计算值和实测值对比, 因取截面对称位置温度数值相近， 故取1～4号测点进行验证，测点选择见图3。可见,有限元计算值与实测值较为吻合,边缘测点温度计算值稍大于实测值,主要是由于采用正弦函数对大气温度进行拟合时部分时间点温度计算值大于实测值,但数值相差不大。最外缘测点温度变化与气温基本一致,本实验验证了有限元计算方法的可行性。

3 昼夜大温差温度效应分析

3.1 边界条件

大气温度采用2.2节公式进行拟合, 考虑到实际桥址相较于北京时差约2 h, 此处t0=11。 图5为拱桥冬季和夏季现场实测日气温变化和公式计算值的对比, 公式计算值温度极值发生时刻较实测值有些许差异, 但大致可以反映桥址地区一天中大气温度的变化情况, 冬季昼夜温差达到25 ℃, 远大于夏季的12 ℃。

钢管混凝土拱桥的气温日变化温度分析属于对流换热问题。对流换热系数h主要与风速、换热表面的几何因素[9]和桥梁的布置情况有关,其中起到控制作用的是风速。文献[10]推导出了固体表面在空气中的换热系数, 考虑风速的作用,将风速作为参数

h=21.8+13.53v。

式中:v为风速, m/s;h为空气换热系数,kJ/(m2·h·℃)。

图5 日气温变化曲线

表1 1～4号测点不同时刻温度计算值和实测值对比

为了得到最不利的温度效应, 风速应为零,但风速为零的此类极端条件发生频率极低[11]。 桥址地区冬季和夏季的平均风速大致为1～3 m/s, 为了得到最不利状况, 本文取风速为1 m/s进行分析[12]。

桥梁与周围环境构成十分复杂的热传递系统,全面考虑各种因素的影响很难实现也非必要,故在保证计算精度的前提下进行合理的简化。在分析过程中假设:考虑到钢管混凝土拱桥沿纵桥向为细长结构,沿轴向的温度传递相较于横向可以忽略,故将其简化为二维平面模型进行分析[13]。

3.2 截面温度分布分析

藏木雅鲁藏布江特大桥上下弦管之间采用腹板连接,且上下游钢管距离较大,故可简化为取拱肋上游下弦截面以分析四肢桁式和横向哑铃桁式相结合的截面形式,沿桥梁纵向共有3种截面形式见图6。为了模拟实桥情况,分别对3种截面形式进行大气温度日变化作用下的瞬态分析。

钢管混凝土截面直径1.6和1.8 m, 钢管壁厚36 mm。 采用二维平面热分析单元PLANE55单元进行分析, 截面形式网格划分以实腹式哑铃形截面为例, 见图7。 由冬季昼夜温差远大于夏季, 故本文以冬季日气温变化, 连续进行20 d瞬态温度场分析。

图6 拱助截面形式

图7 拱助各截面网格划分

不同截面冬季循环大气温度作用下发生极值温差的第473小时即第10日下午16:00左右,温度分布情况见图8。

由图8a可知,大气温度作用下截面最不利温度发生时刻与大气温度峰值时刻基本一致,且边缘测点温度变化与大气温度相近,可认为截面温差峰值发生与大气温度峰值同步,且截面温度分布白天呈现内低外高、夜间呈现外低内高的状态,故昼夜变化间存在降温温差极值和升温温差极值。此外，分析结果还表明气温升温导致的截面升温温差峰值较为显著。

哑铃形截面由于平联的存在,减缓了部分钢管和外部大气对流换热, 且由于混凝土导热性能较差,使得两侧钢管混凝土截面低温区域凸向平联侧(图8b)。

图8 冬季日气温变化各拱助截面温度分布

实腹式哑铃形截面(图8c)平联内灌注了混凝土, 混凝土导热性能较差,得其截面温度敏感性较低,故冬季日气温作用下截面最大梯度温度达11.4 ℃发生在空腹式哑铃形截面。由于混凝土和钢管热物理性能的差异,气温时刻变化,截面温度场分布表现出高度的瞬时非线性特征。日气温作用下截面温度分布主要有以下4种情况:①夜晚低气温时段呈现出温度内高外低;②白天高气温时段表现出内低外高;③开始升温时刻表现出内外高中间低;④开始降温时刻表现出内外低中间高。

3.3 截面温度效应分析

采用ANSYS热-固耦合进行分析,用ETCHG命令将二维热分析单元PLANE55转化为二维结构分析单元PLANE182,设置材料相应力学属性并设置求解选项,读取各荷载步下温度场分析结果进行温度加载，进而求得不同温度分布状态下的截面应力。空腹式哑铃形截面管内混凝土在温差极值时刻的径向和环向温度应力情况见图9。

图9 空腹式哑铃形截面混凝土温度应力

由计算结果可知,在截面梯度温度作用下核心混凝土大面积产生较大的拉应力,最大拉应力达1.12 MPa，混凝土和钢管接触处产生最大拉应力为0.7 MPa。刘振宇等[2]通过设计弯拉法试验对钢与混凝土法向粘结强度进行试验分析,认为钢与混凝土的法向粘结极限强度约为0.86 MPa,在昼夜循环大温差荷载作用下,粘结截面产生的拉应力达到法向极限粘结强度的80%,极易导致脱粘问题的发生。《混凝土结构设计规范》规定C60混凝土抗拉强度设计值为2.06 MPa。核心混凝土在循环温度作用下产生的拉应力达到设计值的54.4%,循环温度荷载作用下混凝土可能产生疲劳破坏,造成核心混凝土开裂,对结构受力产生不利影响。

空腹式哑铃形截面温差极值时刻和某降温时刻在截面温度荷载作用钢管变形情况见图10。其中外围为钢管的变形示意图：升温时钢受热膨胀,温度降低时钢管收缩,在升降温的循环过程中可能产生钢管的永久变形;由于钢管和混凝土热膨胀系数相近但导热性能相差较大,在较大的昼夜温差作用下钢管和核心混凝土温差较大使得钢管和核心混凝土变形不均;在循环温度荷载作用下，可能造成钢管和混凝土脱粘问题的发生。

图10 空腹式哑铃形截面钢管混凝土钢管变形图

4 较大年温差桥梁温度效应分析

采用通用有限元分析软件Midas Civil结合实桥分析在年温变幅达48.6 ℃情况下拱肋截面混凝土应力情况。

4.1 计算合龙温度和有效温度取值

钢管混凝土拱桥的计算合龙温度是环境温度和管内混凝土水化热共同作用的结果,主要影响因素是管径和水化28 d后的平均气温[14], 采用《钢管混凝土拱挤技术规范》推荐的计算合龙温度公式

T=T28+5D+T0-4.25。

其中,T28为混凝土浇筑28 d内的平均气温,取月温度平均值;T0是考虑水化热的附加温度值, 为3～5 ℃。

藏木雅鲁藏布江特大桥管内混凝土计划灌注时间为2019年4月,该月平均最高气温为18 ℃,平均最低为3 ℃,故取月平均温度T28=10.5 ℃,最终计算得出合龙温度约为18.25 ℃。

有效温度用于计算结构在均匀温度场作用下,结构相对于基准温度的温度变形与内力，分为最高有效温度和最低有效温度[15]。参考前人计算方法,分析桥址极端气温情况,极端最高日气温和极端最低日气温分别为32.0和-16.6 ℃,升温温差13.75 ℃,降温温差-34.85 ℃。综上分析,计算方法,出于设计安全方面考虑,实际计算取整体升温15 ℃,整体降温35 ℃进行分析。

4.2 钢管混凝土拱桥有效温度效应分析

采用大型通用有限元分析软件Midas Civil建立全桥有限元模型(考虑拱座),如图11所示。拱肋、腹杆、横联、主梁等均采用梁单元,吊杆采用只能拉压的桁架单元。全桥模型共有3 212个节点和3 689个单元。拱肋建立采用拱内核心混凝土和钢管共用节点的双单元法。

结合桥梁所在地的实际环境情况,取3种分析工况如下: 工况1:恒载组合;工况2:恒载组合+整体升温15 ℃;工况3:恒载组合+整体降温35 ℃。各工况下拉萨岸拱脚截面混凝土应力情况见表2。

图11 全桥模型

由计算结果可知,恒载作用下拱脚混凝土全截面受压;工况2和工况3作用下，部分上弦杆混凝土截面出现拉应力,其中工况3作用下，4根上弦杆均产生较大的拉应力且最大拉应力达到2.8 MPa。C60混凝土抗拉强度标准值和设计值分别为2.85和2.04 MPa,在工况3降温情况下极有可能造成混凝土开裂问题的发生。在实际工程中需对上弦杆产生的拉应力予以重视,尽量降低桥梁的计算合龙温度以规避较大的降温而产生的不利影响或采取一定的构造措施降低混凝土拉应力。

4 结 论

对青藏高原地区一座钢管混凝土拱桥进行温度场和温度效应进行研究,得到以下结论:

(1)桥址地区冬季昼夜最大温差达25 ℃, 在较大的昼夜温差作用下核心混凝土及混凝土和钢管粘结处产生较大的拉应力, 最大拉应力为1.12 MPa, 达混凝土抗拉强度设计值的54%, 钢管和混凝土粘结界面拉应力达到粘结强度的80%。在循环气温荷载的作用下可能导致核心混凝土疲劳开裂甚至钢管和混凝土脱粘问题的发生。在截面设计时，可在钢管中辅以加劲肋等构造措施,加劲肋深入混凝土内部可起到减轻核心混凝土内部温度变化的迟滞性,同时增加钢管和混凝土的粘结面,减轻脱粘问题的发生。

(2)在日变化气温的作用下钢管混凝土拱桥拱肋截面温度场随时间的变化呈现出一定的规律性。 不同拱肋截面形式, 在相同的气候环境下截面温度表现出很大的差异性, 在进行桥梁温度分析时需要根据实际情况进行模拟。 根据截面温度分布状况可以将截面温度分布形式分为4种状况: ①夜晚呈现出温度内高外低; ②白天表现出内低外高; ③开始升温时刻表现出内外高中间低;④ 开始降温时刻表现出内外低中间高。

表2 各工况下拉萨岸拱脚混凝土应力

(3)青藏高原地区温差最大可达48.6 ℃,升降温作用下拱脚截面部分上弦混凝土产生拉应力,其中降温情况下4根上弦杆混凝土均产生较大的拉应力,且最大拉应力可达2.8 MPa。实际工程中需对拱脚上弦杆混凝土产生的拉应力予以重视,尽量降低桥梁的计算合龙温度以规避较大的降温温差而产生的不利影响或采取一定的构造措施降低混凝土拉应力。