郭春华 朱忠义 黄红兵
0 引言
钢管混凝土拱肋是由外包钢管和内部核心混凝土这两种传热性能和力学性能都相差很大的材料组成,因此其温度效应问题与普通钢桥梁和普通混凝土桥梁比较有很大的差别[1-6]。为了更好地研究钢管混凝土拱肋温度效应,对纯粹钢管即钢管拱肋吊装阶段的温度效应进行分析,同时其研究可为钢管混凝土拱肋的施工提供参考。
本文以ANSYS通用有限元软件建立四肢桁架钢管拱肋吊装阶段温度变形及应力分析计算模型,计算空钢管吊装节段的温度场、温度位移、温度应力,并与实测数据进行对比分析,掌握其变化规律并为空钢管混凝土吊装的线形控制提供依据,提高拱肋安装精度。
1 计算模型
以ANSYS通用有限元软件建立计算模型,拱脚按固结考虑,拱肋上、下哑铃和腹杆都用梁单元模拟,杆件之间的连接全按固结计算。计算时只考虑温度作用,不考虑其他荷载。拱肋计算模型如图1,图2所示。
计算时温度作用取两种工况。工况1:均匀升温20℃;工况2:均匀升温+考虑拱肋截面的非线性温度场。
通过有限元仿真计算,当拱肋整体均匀升温20℃时,拱肋竖向位移计算拱顶位移最大,上升48.7mm,拱肋应力较小。
在日照作用下,拱肋断面的温度分布非常复杂,拱肋梯度温差包括两层含义:其一是上哑铃与下哑铃的温度之差,在晴天日照情况下,上拱肋直接受日照作用,其平均温度要比下哑铃高出很多;另外一层含义是上哑铃本身截面内的非线性温度分布,一般来说这种情况对拱肋整体变形影响较小,但对拱肋局部受力有一定影响。
通过钢管日照温度场的有限元分析,计算南半拱(南拱脚、1/4L),拱顶及北半拱(3/4L、北拱脚)温度位移情况。拱肋合龙温度按20℃计。限于篇幅,仅给出某典型晴天下午15:30分,大气温度为26.4℃,风速为3级时,拱顶和北拱脚的温度场计算结果,如图3,图4所示。
在大气温度温差为20℃时,考虑拱肋截面的非线性温度场时,拱肋竖向位移计算结果拱顶位移最大,上升 48.8mm,与工况1几乎没有差别,说明拱肋温度位移主要受整体平均升降温幅度影响。拱肋应力与工况1比较,拱肋中应力明显要大,说明哑铃管中的温度差会在拱肋中引起较大的温度次应力。
2 现场试验
连续观察典型环境下对钢管构件截面的温度变化情况,同时进行风速、气温和拱肋变形观测,观测间隔与温度场测试间隔相同,同步进行。实际桥梁钢管表面采用表面温度计(点温计)测试,钢管表面温度测点布置如图5所示。
通过在晴天情况下连续观察可知:1)日照下拱肋整体温度高于大气温度,大气温度达到20℃以上时,Z1等直接受日照作用测点往往高于大气温度10℃以上,L5等背阳测点基本保持与大气温度一致;2)上拱肋平均温度要比下哑铃高,同时钢管桁架本身截面内存在较大的非线性温度分布,测点间最大温差同样在10℃以上;3)夜间拱肋整体温度可低于大气温度,拱肋整体温度可低于大气温度2℃以上,但钢管桁架非线性温度分布不明显。
故在通过有限元分析钢管拱肋吊装阶段的温度效应时,晴朗工况下最高温度取值应高于大气最高温度10℃～15℃,湿冷工况下最低温度取值应低于大气最低温度1℃～2℃。通过在此取值下钢管拱肋吊装阶段的挠度和应力计算结果,与现场实测数据比较较为吻合。
3 结语
空钢管拱肋安装后,在受到日照和气温等影响而引起的钢管拱肋温度变化,会使其产生较明显的温度位移。拱肋竖向温度位移主要取决于整体升降温幅度,温度梯度对拱肋位移影响较小。整体升降温引起温度次应力较小,但温度梯度(上下管温差)可引起较大的次应力。
计算钢管拱肋吊装阶段的挠度和应力时,晴朗工况下最高温度取值应高于大气最高温度10℃～15℃,湿冷工况下最低温度取值应低于大气最低温度1℃～2℃。
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