大跨悬臂梁日照温差的分析与研究
大跨悬臂梁日照温差的分析与研究
李健刚1, 王 超1, 郭怀明2, 白思华2, 王国宝3
(1. 华中科技大学, 湖北武汉430074; 2. 丹江口交通局, 湖北丹江口442700; 3. 湖北路桥公司, 湖北武汉430056)
摘 要:温度效应是大跨桥梁设计施工中最为复杂的影响因素之一, 世界上因忽略了此影响因素而造成桥梁工程事故的实例常有发生。因此, 在该领域急需大量实桥观测数据以进行分析, 进而上升到理论, 以更好地指导实践。对处于施工中的丹江口二桥的闲置T 构在日照温差的影响下所发生的变位进行了观测, 并将实测结果用AN 2
SYS 进行了分析, 从而提出了一些有益的见解。
关键词:连续梁桥; 日照温差; 温度监测; 分析中图分类号:U448. 215;U446. 2
文献标识码:A
文章编号:1671-7767(2005) 02-0046-03
1 概 述
大跨度连续梁桥悬臂浇注施工目前已被广泛采
用, 而在施工过程中, 由于悬臂长度较大, 外界环境对悬臂端梁的高程、应力等会产生很大影响。在一天之内, 由于日照影响, 悬臂端部高程变化达到好几个厘米, 这就成为桥梁合龙时必须考虑的重要因素。因此, 弄清日照温差对桥梁挠度变化影响的规律十分重要。
丹江口二桥跨越丹江口水库, 是南水北调工程重要项目之一。它是一座桥跨布置为(88+150+150+88) m 连续梁桥(见图1) , 主梁采用单箱单室截面, 桥宽12m , 翼缘板挑出2. 5m 。该桥位于大坝上游7. 3km 处, 桥位处上下游约长3. 5km 区段为肖河谷地段。桥址处气候特征为夏季酷热, 冬季严寒, 春秋气温温和, 极端最高气温为42. 7℃, 极端最低气温为-13. 5℃。对长年观测数据加以统计分析, 每年2～4月水库水位逐渐下降到死水位137. 23m ,6～8月蓄至限制水位147. 23m 。
游流域洪水频发,2号桥墩处水位长期高于承台的设计标高, 无法施工。因2号桥墩未能与1号、3号墩同时施工, 即使边跨合龙,1号T 构和3号T 构也有近半年处于单侧悬臂状态。
由于受白天日照影响, 箱梁顶、底板会产生温度差, 导致顶、底板及沿腹板高度梁的变形不一致, 使箱梁产生整体下挠或上翘。为使中跨顺利合龙, 必须弄清悬臂端位移在一天当中的变化规律。2 实测结果及分析
2004年9月12日对丹江口二桥进行了实地观测(当天天气晴朗) 。此次对箱梁悬臂端端部顶面5
个测点标高和环境温度进行了9次观测, 并观测了悬臂端的横向摆动及扭转。观测点布置及端面位置如图2所示, 其观测结果见图3、图4。
图2 测点布置及端面位置示意
图1 桥型布置示意
该桥2号墩(中墩) 所在处水深达40多米, 是长
江大桥桥墩处平均水深的2倍左右, 这增加了该桥的施工难度。由于在下部结构的施工期间, 汉江上
该桥的轴线方向大致为东西走向, 除顶板以外的混凝土受日照时间较短, 仅下游一侧的腹板靠近底板下缘的小部分在上午11:00以前受日光照射, 并且照射区域随着时间的推移不断变小。通过观察发现, 日照温差所引起的箱梁悬臂端的侧向摆动和扭转甚小。由悬臂端5个测点的水平标高值可知, 悬臂端端面的挠度变化基本一致, 这也说明了上述
收稿日期:2005-03-07
作者简介:李健刚(1979-) , 男,2003年毕业于华中科技大学桥梁与隧道工程专业, 工学学士。
1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
图6 3种不同温度场温度测值曲线
图3 实测标高曲线
析。在利用A NSYS 进行热-结构耦合分析时, 主
要有直接耦合分析和顺序耦合分析两种可行的计算方法, 本文采用后一种分析方法, 即先利用热分析单元Solid70进行热稳态分析, 从而得到结构温度场, 再将所得的结构温度场作为体荷载加载到结构分析单元Solid45建立的模型中, 进而进行结构在温度场中的变形和应力等分析。
通过观测与分析发现, 该悬臂结构的变位在日照作用下以竖向挠度为主, 可在分析过程中忽略扭转及横向摆动这些次要因素, 抓住主要矛盾进行计算, 以简化分析。同时, 利用结构的对称性, 取其中的一半进行计算(仿真模型如图7所示) 。在连续梁桥悬臂分段浇注施工过程中, 将图4所示的梁体实测温度输入到模型的不同部位中去, 算出了悬臂端截面在不同时间的挠度, 其计算结果与实测结果对比见图8。
图4 温度测值曲线
分析的合理性。
通过对比标高观测值变化曲线和气温变化曲线可以发现, 悬臂端各测点下挠最大值均发生在环境温度最高值出现后的2h 左右, 这与混凝土热传导系数小、传热慢所导致的其对环境温度变化不敏感的温度滞后效应相吻合[1], 也说明了实地观测值是有效且合理的。
我们将梁体所处的温度场分为上部场、下部场
和内部场(如图5所示) , 并对三场中混凝土表面的温度及气温进行了24h 跟踪记录[2], 其结果见图6。从图6可以看出, 箱梁外壁温度最高值均滞后大气温度最高值2h 左右出现, 且箱梁顶板温度在下午2:00以后均高于大气温度, 而箱梁底板底面温度要
在下午5:00以后才高于大气温度。同时, 箱梁内部温度比较稳定。
3 理论计算与实测结果的比较
图7 ANSYS 热-结构耦合分析模型
本文采用大型的通用软件ANS YS 进行理论分
图5 温度场示意
1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
图8 计算值与实测值对比
光照射, T 2的确定就较为复杂。5 结 语
通过对比发现, 理论计算结果与实测结果吻合
较好, 变化趋势一致。实测最大挠度为6cm , 理论计算最大挠度为5cm , 误差在17%以内。若加密量测次数和环境温度场的测点数量, 将会进一步降低误差。
4 拟合公式与理论结果的比较
立模标高的控制与提供对成桥后全桥的线形和内力都有较大的影响[5]。日照温差直接使梁体上抬或下挠, 即便是在同一天当中的不同时段, 所应提供的立模标高的值应该是不一样的。而这种差异对于中等以上跨度的桥往往达到好几个厘米, 不容忽视。本文以实桥为例, 根据现场测得之数据, 对大跨悬臂梁在日照温差的影响下的行为规律作了一些有益的归纳与分析, 望为业界所参考。参 考 文 献:
[1]邵旭东. 桥梁工程[M ].北京:人民交通出版社,2003. [2]项海帆. 高等桥梁结构理论[M ].北京:人民交通出版
由分析发现, 悬臂结构在日照下产生的挠度, 主要是上述三块环境温度的温差决定的, 且以顶板顶面温度为主[3]。设三块的环境温度分别为T 1、T 2、T 3, 则可通过如下的公式拟合挠度值:
Y =α×(T 1-T 2) +β×(T 1-T 3)
分析实测资料, 并进行拟合发现, 当α=
β=-0. 0010475时, 与理论结果吻-0. 002507,
合较好。通过公式计算得到的结果与理论值结果差
值均在0. 5mm 以内, 足可见该公式在拟合该桥的日照下的挠度具有一定的精度。
一般来说, 在某一时刻, 代表顶板顶面温度的
T 1和代表箱梁内壁温度的T 3是比较稳定的
[4]
社,2001.
[3]雷俊卿. 桥梁悬臂施工与设计[M ].北京:人民交通出
版社,2000.
[4]徐君兰. 大跨度桥梁施工控制[M ].北京:人民交通出
; 而
代表腹板外侧及底板底面温度的T 2在翼缘板悬臂较长的情况下, 由于阳光照射受到遮掩, 亦可视为稳定状态。若翼缘板悬臂较短, 将有部分腹板受到阳
版社,2000.
[5]向中富. 桥梁施工控制技术[M ].北京:人民交通出版
社,2001.
Analysis and Study of Sunshine T emperature Difference
E ffect on Long 2Span C antilever G irder B ridges
L I J ia n 2ga ng , WAN G Chao , GUO Huai 2ming , BAI Si 2hua , WAN G Guo 2bao
1
1
2
2
3
(1. Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, China ; 2. Department of Communications , Danjiangkou City , Danjiangkou 442700, China ; 3. Hubei Road and Bridge Company , Wuhan 430056, China )
Abstract :The temperat ure effect is considered as o ne of t he most complicated influential fac 2tors in t he design and const ruction of long 2span bridges. Bridge engineering accident s caused by neglecting t he effect occur f rom time to time in t he world. For t his reason , large amount of field observation data of t he effect on t he act ual bridges sho uld be collected for t he p urpose of analysis , and t he result s of which can be t hen distilled into t heory to better guide practice. In t his paper , t he aut hors observe t he deformation of t he T 2f rame struct ures not in use of t he 2nd Danjiangkou Bridge being const ructed due to t he sunshine temperat ure difference effect , analyze t he observed result s wit h ANS YS , and accordingly provide t heir helpf ul views on t he effect in question.
K ey w ords :continuous girder bridge ; sunshine temperat ure difference ; temperat ure monito 2ring ; analysis
1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.