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!" ! # $%!" & 交通运输工程学报 '()*+,-(./*,..01,+2/*,+34(*5,50(+6+70+88*0+7 9(-:!" !;(:# <)7 =$%!" 收稿日期 $%!">%?>$D 基金项目 交通运输部建设科技项目 $%!#?!&?E?$?% $%!#?!&&%$$$% 作者简介 ! !D&!> 辽宁大连人 西北农林科技大学讲师 工学博士 从事桥梁工程研究 通讯作者 刘永健 !DEE> 江西玉山人 长安大学教授 工学博士 文章编号 !E"!>!E?" $%!" %#>%%EE>!$ 高原高寒地区 Q 形混凝土桥塔日照温度效应 ! ! ! $ ! 刘永健 $ ! ! $ ! 季德钧 ? ! 房建宏 # ! G/L6C6[GX @ !: 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院 陕西 杨凌 ! "!$!%% $: 长安大学 公路学院 陕西 西安 ! "!%%E# ?: 青海省高等级公路建设管理局 青海 西宁 ! &!%%%& #: 青海省交通科学研究院 青藏高原公路建设与 养护重点实验室 青海 西宁 ! &!%%%& @: 不列颠哥伦比亚大学 土木工程系 哥伦比亚 温哥华 !9E/!P# ! 分析了混凝土结构温度场边界条件计算方法! 以青海省海黄大桥 Q 形混凝土桥塔为工程背 ! 计算了高原高寒地区四季典型气象条件下的桥塔温度场分布! 对比了四季的桥塔表面温差和塔壁 局部温差! 确定了桥塔的最不利温度荷载! 建立了桥塔整体有限元模型! 分析了四季桥塔的偏位" 竖向 应力" 横向应力和纵向应力等温度效应$分析结果表明% 桥塔表面温差与桥塔局部温差均在冬季最 ! 最大值分别可达 !!:&&d " $%:"Dd ! 在夏季最小! 最大值分别可达 @:!@d " !@:$@d # 横桥向和纵 桥向桥塔表面温差最大值分别达到 D=!@d " !!=&&d ! 远大于) 公路斜拉桥设计细则*' '/R . /ZE@> %! + $%%" ( 推荐值 e@ d # 接近正南方向的塔壁局部温差最大! 沿壁厚方向的温差分布接近指数形式! 冬季和夏季温度衰减系数最大值分别为 #=@% " @=%! ! 故冬季桥塔壁板局部温度分布较夏季更不均匀# 桥塔温度效应同样在冬季最大! ! 天中最大桥塔偏位超过 #%II ! 白天桥塔偏位变化值超过 !@II ! 利于施工过程中的桥塔偏位监测# 桥塔根部竖向最大拉应力达到 $=$CA, ! 桥塔根部同样产生较大水 平向拉应力! 纵桥向和横桥向最大拉应力分别为 !:&$ " %:&$CA, ! 均发生在桥塔内侧! 在与其他作用 组合时可能会造成桥塔开裂! 建议在桥塔塔壁内侧布置一定量的钢筋网片来控制裂缝# 在进行高原高 寒地区桥塔设计和施工控制时! 应充分考虑温度效应带来的不利影响$ 关键词 桥梁工程# 混凝土桥塔# 高原高寒地区# 有限元模型# 温度分布# 温度效应# 混凝土开裂 中图分类号 K##?=?& !!! 文献标志码 < >&5 ) &0,/%0&&##&'/-(#U2-., ) &:'("'0&/& )+ $("1" ,0'/1'2,$ ) 1"& ) $,/&,%0& 3 1(" PQ<;R;0+7 ! $ MLKS(+7>T0,+ $ MLK'0,+7 $ 'LZ8>T)+ ? X<;R'0,+>N(+7 # G/L6C6[GX @ !=G1N((-(.^,58*[83()*183,+2<*1N05815)*,-6+70+88*0+7 ;(*5N\835<jXK+0W8*305U S,+7-0+7"!$!%% GN,,+V0 FN0+, $=G1N((-(.Q07N\,U FN,+7i,+K+0W8*305U B0i,+"!%%E# GN,,+V0 FN0+, ?=h0+7N,0 A*(W0+10,-F(+35*)150(+,+2C,+,78I8+5H)*8,)(.Q07N>R*,28Q07N\,U B0+0+7&!%%%& h0+7N,0 FN0+, #=h0+7N,0>/0Y85A-,58,)b8UM,Y(*,5(*U(.Q07N\,UF(+35*)150(+,+2 C,0+58+,+18 h0+7N,0 L+3505)58(./*,+34(*5,50(+G108+18 B0+0+7&!%%%& h0+7N,0 FN0+, @=Z84,*5I8+5(.F0W0- 6+70+88*0+7 K+0W8*305U(.H*0503NF(-)IY0, 9,+1()W8*9E/!P# F(-)IY0, F,+,2, 87-/0,'/ /N8Y()+2,*U1(+2050(+1,-1)-,50(+I85N(2(.1(+1*85835*)15)*858I48*,5)*8.08-2\,3 ,+,-U_82=/N8 Q>3N,4821(+1*8584U-(+(. Q,0N),+7 H*02780+ h0+7N,0A*(W0+18 \,35,]8+,3 8+70+88*0+7Y,1]7*()+2 ,+25N858I48*,5)*8.08-22035*0Y)50(+3(.4U-(+)+28*5U401,-I858(*(-(701,- 1(+2050(+32)*0+7,--38,3(+30+,*1501>,-40+84-,58,)*870(+ \8*81,-1)-,582=/N858I48*,5)*8

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Page 1: 高原高寒地区 Q 形混凝土桥塔日照温度效应transport.chd.edu.cn/Upload/PaperUpLoad/c0fd5c09-5299-4f...交!通!运!输!工!程!学!报 $%!"年 间接耦合法分析了斜拉桥多塔的瞬态温度应力场$认

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基金项目!交通运输部建设科技项目!

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作者简介!张!

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通讯作者!刘永健!

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高原高寒地区Q

形混凝土桥塔日照温度效应

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不列颠哥伦比亚大学 土木工程系$哥伦比亚 温哥华!

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摘!

要!分析了混凝土结构温度场边界条件计算方法!以青海省海黄大桥Q

形混凝土桥塔为工程背

景!计算了高原高寒地区四季典型气象条件下的桥塔温度场分布!对比了四季的桥塔表面温差和塔壁

局部温差!确定了桥塔的最不利温度荷载!建立了桥塔整体有限元模型!分析了四季桥塔的偏位"竖向

应力"横向应力和纵向应力等温度效应$分析结果表明%桥塔表面温差与桥塔局部温差均在冬季最

大!最大值分别可达!!:&&d

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!均发生在桥塔内侧!在与其他作用

组合时可能会造成桥塔开裂!建议在桥塔塔壁内侧布置一定量的钢筋网片来控制裂缝#在进行高原高

寒地区桥塔设计和施工控制时!应充分考虑温度效应带来的不利影响$

关键词!桥梁工程#混凝土桥塔#高原高寒地区#有限元模型#温度分布#温度效应#混凝土开裂

中图分类号!

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引!

斜拉桥一般采用薄壁空心桥塔$随着中国斜拉

桥跨径的增大$要求混凝土桥塔的截面与高度也随

之增大%暴露在外界环境中的混凝土桥塔$受日照(

气温与风速的影响$会产生$

种温差&桥塔表面温差

与塔壁局部温差%桥塔表面温差是由桥塔在向阳面

与背阳面受太阳辐射不同而形成的温差$会引起桥

塔偏位$其方向与大小随着太阳运动轨迹的变化而

变化$增加了施工阶段桥塔线形监控的难度#塔壁局

部温差是由于桥塔外表面温度随日照辐射迅速上

升$而内表面温度因桥塔内腔空气的不流动与混凝

土较差的导热性$温度变化远滞后于桥塔的外表面$

从而在塔壁厚度方向形成较大的非线性温差$通常

大于!%d

$其产生的温度应力可达活载的级别$与其

他荷载组合下易造成桥塔的开裂)

!>$

*

%高原高寒地区

的太阳辐射强$昼夜温差大$会引起超高混凝土桥塔

产生较大的温度效应%

目前$对混凝土桥塔温度效应的研究相对较少$

但与其结构和荷载形式相似的薄壁空心墩的研究较

多$且多局限在某一特定地点与时间%任翔等在某

悬索桥混凝土桥塔日照温度场实测数据的基础上分

析了桥塔塔壁厚度方向最不利温差作用下桥塔的空

间应力分布$结果显示&桥塔内(外壁分别在正(负温

差作用下出现较大的拉应力)

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*

#谢尚英分析了广州

猎德大桥索塔日照温度效应$结果表明&在负温差作

用下$塔壁外表面局部位置的最大主拉应力达到

$:$DCA,

$通过配筋优化可以有效解决混凝土开裂

问题)

@

*

#靳敏超等通过实测数据分析了某主跨为

@&%I

的斜拉桥混凝土桥塔的日照温度场$计算了

混凝土桥塔的温度应力$在温差作用下$塔壁的拉应

力达$:&CA,

$可引起混凝土开裂)

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*

#樊启武等采用

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交!

通!

运!

输!

工!

程!

学!

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间接耦合法分析了斜拉桥多塔的瞬态温度应力场$认

为采用温差分布的经验公式计算索塔表面温度应力

误差较小)

"

*

#吕文江等计算了三水河特大桥!&%I

墩沿厚度方向的温差和墩顶的位移$结果表明&墩身

最大温差达到"d

$最大位移超过@1I

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&

*

#武立群

建立了幸福源水库大桥!$

%桥墩的!n!

模型$进行

了日照作用下模型温度测试$通过分析方位角(导热

系数与壁板厚度等因素对温度场的影响$提出了适用

于空心桥墩的温差曲线)

D

*

#代璞等基于传热学基本原

理$采用温度>

应力间接耦合方法分析了Q

形截面混

凝土桥塔的温度效应$结果表明&在最不利短期温度

作用下$桥塔表面有出现裂缝的可能$设计时应予以

重视)

!%

*

#孙增智等针对大体积混凝土因水化热引起

的早期开裂问题$分析了环境温度对承台中心温度(

里表温差与表面拉应力的影响$结果表明&里表温差

和表面拉应力都随环境温度增大而减小$且表面拉应

力与环境温度基本呈线性关系)

!!

*

#王鹏等研究了某

斜拉桥混凝土桥塔降温作用下的早期温度收缩裂缝

特性$结果表明&当环境降温与水化热同时作用时$混

凝土桥塔开裂的可能性会大大提高)

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*

#

PN,+

7

等通过

实测数据用有限元分析方法研究了仙桃汉江公路大

桥的混凝土桥塔的温度场$结果表明&桥塔最大温差

和最不利温度效应都发生在冬季)

!?

*

%

以上学者分别针对不同地区的混凝土桥塔或空

心高墩进行了日照或寒流作用下的温度场和温度效

应分析$而结构的温度场分布有着较强的地域局限

性$故分析结果难以应用于青海高原高寒地区的混

凝土桥塔%同时$中国-公路桥涵设计通用规范.

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"并未对桥塔的温度作用进行说

明$而-公路斜拉桥设计细则.!

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"简单地采用了日本-道路桥示方书.中桥塔相

对面e@d

线性温差的建议$因此$对于青海高原

高寒地区混凝土桥塔的温度作用及其温度效应$仍

需进一步分析%

为此$本文以青海黄南地区海黄大桥Q

形桥塔

为研究对象$通过有限元程序建立热传导计算模型$

并与实测结果进行对比验证$在近@

年气象数据的

基础上$对高原高寒地区四季典型气候特点下桥塔

的温度场进行详尽分析$并对桥塔四季的温度效应

进行精细化计算%

<

!

温度场分析方法

<=<

!

日照作用下的热流边界

日照作用下的桥塔结构表面主要存在着?

热流$即结构表面所吸收的太阳辐射(结构表面与

环境之间的对流换热以及结构表面与周围环境的

辐射换热%

!=!=!

!

太阳辐射强度

结构表面吸收的太阳辐射强度J3

的计算取决

于海拔(纬度(计算时间(太阳高度角(大气质量系

数(大气透明度(结构走向和材料属性等因素)

!#

*

$即

J3

&$

F

3

&

)

$

F

Y+

1(3

!

'

"

'

F

2N

!

'

1(3

!

:

"

$

'

(

F

YN

'

F

! "

2N

!

(

1(3

!

:

"

*

$

!

!

"

式中&

$

为结构表面的短波吸收率#

F

3

为总的太阳辐

射强度#

F

Y+

(

F

YN

分别为法向和水平面的太阳直接辐

射强度#

'

为太阳入射角#

F

2N

为水平面上的散射辐射

强度#

:

为结构表面的倾角#

(

为地面对太阳辐射的

反射率$水面一般取%#$

)

!@

*

%

!=!=$

!

对流换热和辐射换热的热流密度

结构表面与周围环境的对流换热热流密度J1

J1

&

9

1

!

A

3

(

A

,

" !

$

"

9

1

&

#@

'

@#E @

'

@

"#!@@

%#"&

@

(

)

*

+

@

!

?

"

式中&

A

3

(

A

,

分别为结构表面温度和气温#

9

1

为对

流换热系数$包含自然对流和风速产生的强制对

流)

!E

*

#

@

为风速%

!!

结构表面与周围环境的辐射换热热流密度J*

J*

&

+>

3

!

A

,

'

$"?

"

#

(

!

A

3

'

$"?

"

) *

#

!

#

"

式中&

+

为结构表面辐射率#

>

3

为G58.,+>H(-5_I,++

常数$为@=E"J!%

f&

^

'

I

f$

'

b

f#

%

在已知最高气温A

I,V

和最低气温A

I0+

时$一天

内气温A

,

为)

!"

*

A

,

&

!

$

!

A

I,V

'

A

I0+

"

'

!

$

!

A

I,V

(

A

I0+

"

'

30+

'

!

3

(

D

"

) *

!$

!

@

"

式中&

3

为气温变化时间%

<=@

!

算例验证

对于复杂作用下结构的温度场问题$在现有研

究成果的基础上$需要对边界条件进行准确模拟$宜

采用有限元法进行求解%连续刚构的高墩与斜拉桥

的桥塔为相似的构件$日照产生的温度场有着相似

的分布$因此$本文以洛河特大桥右幅!?

% 墩为

例)

!&

*

$采用实测墩身内外气温$对桥墩温度场进行

计算$测点&

和@m

分别位于桥墩短边外侧中部和长

边内侧中部的位置$见图!

$测点&

和@m

实测值)

!&

*与

本文计算值的对比结果见图$

%

&E

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第#

期 张!

宁!等%高原高寒地区Q

形混凝土桥塔日照温度效应

图!

!

测点&

与@m

的位置

X0

7

=!

!

A(3050(+3(.(Y38*W,50(+

4

(0+53&,+2@m

!!

总体来看$计算结果与实测结果整体趋势一致$

最高温度均在下午!?

&

%%

达到最大$由于材料本身

热工参数选取的偏差(对流换热系数选取的偏差以

及大气条件对太阳辐射计算带来的偏差$导致计算

结果与实测存在偏差$最大偏差为!=&"d

$平均偏

差为%="&d

$因此$计算结果完全可以满足实际工

程对精度的要求%

@

!

主塔温度场分析

海黄大桥为双塔双索面钢>

混凝土组合梁半漂

浮体系斜拉桥$跨径组合为!

!%#a!!Ea@E%a!!Ea

!%#

"

I

%主梁采用双边/上0形结合桥面板的整体

断面$主塔采用钢筋混凝土Q

形桥塔$两主塔总高

图$

!

实测数据与有限元计算结果对比

X0

7

=$

!

F(I

4

,*03(+(.58352,5,,+2X6C1,-1)-,50(+*83)-53

度分别为!&E=$

(

!D?=EI

%上塔柱为箱形等截面$

高度为E&=#@I

$截面尺寸为&%%1IJ@%%1I

#中

塔柱高度为"DI

$下塔柱高度为?&="@

(

#E=!@I

$

均为变截面$分别由&%%1IJ@%%1I

(

&%%1IJ

E%%1I

变至&%%1IJE%%1I

和!!%%1IJ&%%1I

%

主桥位置为东经!%$:%l6

(北纬?@:?l;

$桥梁轴线方

位角为?#=%l

!与正南方向夹角"%桥塔断面局部坐

标系见图?

%

@=<

!

模型建立

为了分析一年四季桥塔的典型温度场分布$本

文采用青海气象部门获得的近@

年桥位处的每小时

太阳辐射数据与每小时气温变化数据$剔除不合理

数据$平均后算得四季典型气象数据$取相应的日平

均风速$具体计算参数见表!

%

根据表!

的日照时长和日辐射总量$将直射辐

射强度和散射辐射强度从日辐射总量中分离)

!D

*

$可

以求得四季到达主塔各表面的太阳辐射强度$见图

#

$

"

%可以看出&到达桥塔表面的太阳辐射强度在

图?

!

桥塔断面局部坐标系

X0

7

=?

!

M(1,-1((*20+,583

U

358I(.

4U

-(+1*(3338150(+

冬季最大$春秋次之$夏季最小$这是因为夏季光线

照射在桥塔竖直表面时的太阳入射角最大$接受到

的太阳直接辐射强度则最小$这一点与水平面接收

的太阳辐射有较大区别%

DE

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交!

通!

运!

输!

工!

程!

学!

报$%!"

表<

!

四季典型气象参数

>,7=<

!

>

+)

1',$5&/&(0($(

3

1',$

)

,0,5&/&0-1"C-&,-("-

参数 春季 夏季 秋季 冬季

计算时间#

月!@

日"

月!@

日!%

月!@

日!

月!@

日照时长,N !$=D? !#=!# !!=%@ D=&"

日辐射总量,!

C'

'

I

f$

"

$%=@& $?=E% !?="$ !%=?E

日最高气温,d !E=$ $@=$ !#=$ $=%

日最低气温,d $=! !$=$ !=D f!?=%

日平均风速,!

I

'

3

f!

"

!="? !=@! !=?# !=E$

图#

!

春季桥塔太阳辐射强度

X0

7

=#

!

G(-,**,20,50(+0+58+305083(.

4U

-(+0+3

4

*0+

7

图@

!

夏季桥塔太阳辐射强度

X0

7

=@

!

G(-,**,20,50(+0+58+305083(.

4U

-(+0+3)II8*

!!

混凝土桥塔为细长构件$沿桥塔高度方向热量

传递缓慢$因此$可以将桥塔简化为二维平面进行温

度场的计算)

$%

*

%混凝土采用<H<hKG

中提供的四

结点线性传热四边形单元ZF$Z#

进行模拟$由于桥

塔内部对流与辐射换热等边界条件十分复杂$在缺

乏实测数据的情况下$桥塔内部气温难以获得$因

此$本文将桥塔内部空气采用与混凝土同样的

ZF$Z#

单元进行模拟)

$!

*

$认为空气与混凝土之间

温度与热流连续!第#

类边界条件"$即在程序中采

用/

/L6

0命令进行连接%由于日照温度的变化幅度

图E

!

秋季桥塔太阳辐射强度

X0

7

=E

!

G(-,**,20,50(+0+58+305083(.

4U

-(+0+,)5)I+

图"

!

冬季桥塔太阳辐射强度

X0

7

="

!

G(-,**,20,50(+0+58+305083(.

4U

-(+0+\0+58*

较小$对材料热工参数的影响可以忽略$因此$材料

热工参数可以取定值$见表$

%初始时刻选取日出

前!N

$即温度分布最为均匀的时刻$并对结构进行

连续?2

的计算$取最后一天的温度场作为计算结

果$用以消除初始温度取值的偏差%

表@

!

材料热工参数

>,7=@

!

>.&05,$

)

,0,5&/&0-(#5,/&01,$-

热工参数 混凝土 空气

密度,!

]

7

'

I

f?

"

$@%% !=$D

导热系数,)

^

'!

I

'

b

"

f!

*

$=% %=%$@

比热容,)

'

'!

]

7

'

b

"

f!

*

!%%% !%!%

吸收率)

$$

*

%=@

辐射率%=&@

@=@

!

桥塔表面温差

图&

$

!!

分别为四季桥塔温度随时间变化的

曲线$可以看出&春季与秋季气象条件类似$计算

结果接近$而夏季与冬季差异较大#随着时间的变

化$不同季节桥塔各表面温度变化规律相同$夜晚

%"

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第#

期 张!

宁!等%高原高寒地区Q

形混凝土桥塔日照温度效应

各表面温度较低$日出前一小时达到一日最低值$

日出之后$东北面首先接受太阳辐射$冬季太阳入

射角比较小$接受太阳辐射时间较短$所以温度升

高不大$只有昼长较长的夏季才有明显的升温#其

次东南面温度逐渐升高$在!$

&

%%

左右达到最大$

因塔柱;

向与南北向夹角仅为?#l

$故桥塔西南面

受到太阳辐射的时间更长$温度在!E

&

%%

左右达

到最大$夏季最高可达到$D=&Ed

$冬季最高可达

到!%=@&d

#西北面在日落前可以接受到较多太

阳辐射$夏季时昼长最大$温度升高最快$冬季昼

长最短$温度升高最慢#桥塔内部由于大气的不流

动与混凝土较差的导热性$使内部气温变化十分

缓慢#计算结果与混凝土箱梁内部气温实测规

律)

$?>$#

*一致%

图&

!

春季桥塔温度曲线

X0

7

=&

!

/8I

4

8*,5)*81)*W83(.

4U

-(+0+3

4

*0+

7

图D

!

夏季桥塔温度曲线

X0

7

=D

!

/8I

4

8*,5)*81)*W83(.

4U

-(+0+3)II8*

图!$

为桥塔四季纵桥向!

;

向"和横桥向!

C

向"桥主塔表面的温差$可以看出&主塔C

(

;

向温差

均在冬季最大$春秋次之$夏季最小$这一点不同于一

般混凝土箱梁#夏季光线在梁顶水平面形成的入射角

图!%

!

秋季桥塔温度曲线

X0

7

=!%

!

/8I

4

8*,5)*81)*W83(.

4U

-(+0+,)5)I+

图!!

!

冬季桥塔温度曲线

X0

7

=!!

!

/8I

4

8*,5)*81)*W83(.

4U

-(+0+\0+58*

图!$

!

四季桥塔外表面温差

X0

7

=!$

!

/8I

4

8*,5)*820..8*8+183(.

4U

-(+()5>3)*.,183

0+#38,3(+3

最大$而在桥塔竖直面则最小$冬季则相反$因而夏季

箱梁顶面接受的太阳辐射最强$所以夏季顶底板温差

最大$而桥塔表面最大太阳辐射发生在冬季#桥塔;

向与南北夹角仅为?#l

$冬季仅东南面和西南面可以

充分接受太阳辐射$因此$最大桥塔表面温差发生在

!"

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交!

通!

运!

输!

工!

程!

学!

报$%!"

冬季$

C

向和;

向分别达到D:!@d

(

!!:&&d

$远超

-公路斜拉桥设计细则.!

'/R

,

/ZE@>%!

+

$%%"

"中

e@d

的规定$夏季C

(

;

向最大温差分别为@:!@d

(

#:%?d

#桥塔在春(夏季北面有较强太阳辐射$因

此$出现了一定的反向温差$最大仅为f$:E d

%

表?

给出了四季最大桥塔表面温差%

表B

!

四季桥塔表面最大温差

>,7=B

!

N,*15%5/&5

)

&0,/%0&:1##&0&"'&-(#

)+

$("-%0#,'&-1"C-&,-("- d

方向 春季 夏季 秋季 冬季

纵桥向@=$& #=%? "=?& !!=&&

横桥向@=EE @=!@ E=$? D=!@

@=B

!

塔壁局部温差

桥塔等箱形筒状结构日照作用下沿壁厚方向的

温差分布接近指数形式)

$@

*

$为

A

!

=

"

&

A

%

8

(

*

=

!

E

"

式中&

A

!

=

"为计算点处的温度#

=

为计算点至外表

面距离#

A

%

为壁厚温差#

*

为温度衰减系数$反映了

温差指数分布的陡峭程度%

图!?

为桥塔在四季各壁板内外温差最大时的

表面温度$通过最小二乘法进行拟合$求得A

%

和*

$

便可得到温差分布的指数形式%图!#

$

!"

为春季

各壁板的拟合结果$

A

G6

(

A

;6

(

A

G

和A

;^

分别为桥

塔东南(东北(西南和西北#

个面塔壁拟合后的温度

分布函数%表#

为四季各壁板温差最大时温差分布

拟合的参数A

%

(

*

和决定系数$

$

$可以看出&决定系

数最小为%#D"!?

$拟合精度较高%

图!?

!

四季塔壁最大温差!单位&

d

"

X0

7

=!?

!

C,V0I)I58I

4

8*,5)*820..8*8+183(.

4U

-(+\,--0+#38,3(+3

!

)+05

&

d

"

图!#

!

东南面塔壁温度分布

X0

7

=!#

!

/8I

4

8*,5)*82035*0Y)50(+3(.

4U

-(+\,--0+3()5N8,35

!!

由于桥塔东北面和西北面仅在夏季时可以接收

到较多的太阳辐射$因此$其最大壁板温差发生在夏

季$而东南面和西南面最大壁板温差则发生在冬季%

由于夏季气温较冬季高$壁板受到太阳辐射时的升

温速率较冬季慢$因此$表#

中的*

基本呈现出冬季

大于夏季的现象$即冬季桥塔各壁板的温度分布较

夏季更不均匀$非线性程度更大%

图!@

!

东北面塔壁温度分布

X0

7

=!@

!

/8I

4

8*,5)*82035*0Y)50(+3(.

4U

-(+\,--0++(*5N8,35

B

!

主塔温度效应分析

B=<

!

模型建立

对斜拉桥主塔温度效应的分析主要集中在温度

对主塔偏位和主塔竖向!

Q

向"应力(横向!

C

向"应

力(纵向!

;

向"应力的分析%在分析主塔偏位和竖

向应力时$需要建立桥塔?Z

模型$为了方便在主塔

$"

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第#

期 张!

宁!等%高原高寒地区Q

形混凝土桥塔日照温度效应

图!E

!

西南面塔壁温度分布

X0

7

=!E

!

/8I

4

8*,5)*82035*0Y)50(+3(.

4U

-(+\,--0+3()5N\835

图!"

!

西北面塔壁温度分布

X0

7

=!"

!

/8I

4

8*,5)*82035*0Y)50(+3(.

4U

-(+\,--0++(*5N\835

表C

!

四季塔壁局部温差参数

>,7=C

!

?,0,5&/&0-(#$(',$

)+

$("6,$$/&5

)

&0,/%0&

:1##&0&"'&1"C-&,-("-

季节 参数 东南面 东北面 西南面 西北面

春季

夏季

秋季

冬季

A

%

,

d

!?="$ !!=&" !"=%D !?=%@

*

#=@# ?=?" #=%# #=#E

$

$

%=D&&! %=DD$$ %=D&&E %=DD?!

A

%

,

d

!$=#" !$=$$ !@=$@ !?=&@

*

?=$" ?=%E #=%$ #=@%

$

$

%=D"!? %=DD## %=D&"$ %=DD#"

A

%

,

d

!?=$% D="? !"=%? D=&&

*

#=D# ?=E& #=## #=$!

$

$

%=D&ED %=D&ED %=D&#$ %=DD#!

A

%

,

d

!@=$@ D=$" $%="D D=?%

*

@=%! ?=#@ #=@E #=!D

$

$

%=DD#! %=D&D" %=D&?D %=DD?%

各壁厚方向施加上一节计算出的温度梯度$本文采

用<H<hKG

中提供的G&[

八节点厚壳单元简化模

拟桥塔各壁板$由于夜间桥梁截面温度分布较均匀$

本文仅分析"

&

%%

$

!&

&

%%

日照时间内的主塔温度效

应$图!&

为桥塔有限元模型$图!D

为桥塔各壁板温

度荷载%

图!&

!

桥塔有限元模型

X0

7

=!&

!

X0+0588-8I8+5I(28-(.

4U

-(+

图!D

!

桥塔温度荷载

X0

7

=!D

!

/8I

4

8*,5)*8-(,23(+

4U

-(+

进行主塔横向应力分析时$视桥塔为细长构件$

将分析简化为平面应变问题%热力耦合分析可以采

用直接耦合)

$E

*或顺序耦合$

种方式进行$因混凝土

的热工参数随气温的变化可以忽略不计$因此$可调

用<H<hKG

分析热传导分析时的结果文件$直接

进行顺序耦合分析$得到横向应力分析结果%

B=@

!

主塔水平偏位

图$%

为C

向和;

向塔顶偏位在各季节白天的变

化情况$可以看出&塔顶C

(

;

向偏位分别在!$

&

%%

$

!?

&

%%

和!E

&

%%

$

!"

&

%%

达到最大值$与桥塔表面温

差最不利发生的时间一致$四季中冬天温度作用产

生的位移最大$分别达到!?=E$

(

#!=D$II

$夏天则

最小$分别为@=!%

(

!!=!DII

#白天桥梁偏位最大波

动同样在冬季最大$

C

(

;

向分别达到E=!@

(

!"=@?II

$

?"

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交!

通!

运!

输!

工!

程!

学!

报$%!"

图$%

!

四季塔顶偏位

X0

7

=$%

!

Z03

4

-,18I8+53(.

4U

-(+5(

4

0+#38,3(+3

最小为?=E$

(

&=&@II

$分别发生在春季和夏季%-公

路斜拉桥设计细则.!

'/R

,

/ZE@>%!

+

$%%"

"规定桥

塔施工阶段最大偏位应控制在塔高的!

,

?%%%

内$

对本桥应控制在E$II

内$而冬季温度作用下的最

大偏位已达到#!=D$II

$虽然桥塔在温度作用下

的偏位可以恢复$但这样的偏位足以影响到施工监

测和控制的精度$从而在桥塔施工中产生温度作用

的累积$因此$宜选择在温度变形较小的春季和夏季

进行施工%

图$!

!

四季主塔根部竖向应力

X0

7

=$!

!

98*501,-35*83383(.

4U

-(+Y(55(I0+#38,3(+3

B=B

!

竖向应力分析

图$!

为整体模型桥塔根部最大竖向温度应力

的计算结果$可以看出&桥塔根部的拉应力与压应力

基本保持同样的变化趋势$一日内最大值发生在

!@

&

%%

$

!E

&

%%

$四季内最大值同样是在冬季$由于塔

壁内侧的温度低于外侧$则塔壁的外侧受压$最大压

应力达到&=!&CA,

$内侧受拉$最大拉应力可以达

到$=$CA,

%桥塔在自重及拉索作用下有较大的压

力储备$故桥塔在竖向不至于开裂%

B=C

!

水平向应力分析

图$$

为平面分析下的桥塔最大水平向温度应力

!

C

向和;

向"的计算结果$可以看出&拉应力与压应

力变化趋势相同$同样是冬季最大$但C

向应力较;

向小$与桥塔偏位有相同的规律$其中$

C

向拉应力最

大为%:&$CA,

$

;

向最大拉应力为!=&$CA,

$且基本

同时在下午!@

&

%%

$

!E

&

%%

达到最大值%

图$?

为冬季!@

&

%%

和#

&

%%

的温度应力$可以

看出&

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但可能会引起壁板内部钢筋锈蚀$因此$建议在桥塔

内壁与外侧倒角处布置一定量钢筋网片$以预防混

凝土温度裂缝的开展%

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应力$且水平拉应力发生在桥塔内侧$在与其他作用

组合时会造成桥塔开裂$建议在桥塔内壁与外侧倒

角处布置一定量钢筋网片$以预防混凝土温度裂缝

的开展%

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