云南交通运输职业学院 云南交通技师学院
摘要:随着我国经济的腾飞和建筑行业的突飞猛进，我国在混凝土桥梁的建设工作中取得了显著的进步。桥梁的耐久性是评价桥梁质量的重要因素之一，而桥梁长时间暴露在日照条件下时，会在结构内部产生温度应力，导致桥梁产生裂缝影响桥梁使用寿命。本文以某常见混凝土箱梁桥为例，对桥梁日照产生的温度应力和应力长进行分析，以期能够为桥梁设计和建设提供一定的参考，提高桥梁耐久性。
关键词:日照条件；混凝土桥梁；温度应力；耐久性
1、前言
混凝土桥梁长期处于太阳光辐射中，受到环境因素和自然条件的影响较大，由于混凝土本身热传导性较差，造成混凝土表面温度会受到环境温度的影响而迅速降低和升高，而混凝土内部温度还未发生变化，从而在桥梁结构中产生较大的温度梯度，产生温度应力，给桥梁结构带来极大危害。本文以某混凝土箱梁桥的实测数据为例，研究分析箱梁桥的应力场，以探究日照对箱梁桥耐久性的影响。
2、混凝土箱梁桥温度场的热力学分析方法
影响箱梁桥稳定性的根本原因是混凝土内部应力的存在，温度应力是桥梁内部主要应力之一，受到日照、寒流、雨雪等自然条件的影响。根据自然环境变化，我们可以将桥梁内部温度荷载分为日照温差荷载、年温度在荷载以及骤然降温温度荷载三种类型。据以往研究表明，由于日照引起的混凝土捏温度骤变能够产生极大的温度应力，影响混凝土结构的稳定性。
本次研究以云南普洱某桥梁工程为主 ，主跨布置为65m+l1Om+65m。截面尺寸为:桥墩根部处的箱梁高度为6.5m，底板厚0.7m，跨中高度为2.5m，底板厚0.28m，箱梁高度、底板厚度从桥墩根部到跨中按1.8次抛物线变化;腹板厚度在桥墩根部为0.60m，跨中厚度为0.40m，腹板厚度在腹板变化段按直线渐变.箱梁顶板的厚度为0.25m。箱梁顶板宽12m，底板宽6m，顶板悬臂长度3m.悬臂端厚0.15m，根部厚0.7m。箱梁顶设有2%的横坡。主梁使用C55混凝土，桥墩使用C40混凝土，桥梁所处的地理位置为东经105.5度，北纬23.7度，大致为东南至西北走向，桥梁的立面布置见图1。 [1]
图2 微原体的热量分析
混凝土桥梁表面与内部的温度分布是随时间而不断变化的，桥梁边界主要存在三种热交换形式，首先边界位置存在其自身的热辐射和吸收的日照辐射能量，其次边界存在与外界环境对流的热交换形式，最后内部的热传导也会影响边界温度变化。由此可见，桥梁边界主要通过辐射和对流的方式进行热交换，桥梁外边界可以时刻与周围空气通过热交换传递热量。日照条件对桥梁的影响很大，日间太阳辐射热量大，桥梁吸收热量大温度升高，夜间太阳辐射弱，桥梁放出热量大温度降低，因此混凝土桥梁有两个温度分布极值。[3]
2.2温度场问题的基本方程和边值条件
2.2.1基本方程
温度场即温度在空间域与时间域的分布情况。在某一时刻，将温度场中各个相同点相连即可得到该时刻的等温面，垂直于等温面方面温度变化率最大。[4]
上式中，c表示混凝土比热，单位为J（/kg?℃）； 表示混凝土质量密度，单位为kg/m3；T代表混凝土温度；k为导热系数；t表示日照时间，单位为s。
由此可见，我们得到的热传导方程能够表现出混凝土内部温度与空间和时间的关系，但是从上述公式中并不能得到任意时刻混凝土内温度分布，因此需要我们引入初始条件和边界条件以定解，从而能够得到唯一解。[5]
2.2.2边值条件
边界条件有三类，分别为已知混凝土边界上的各瞬时温度分布、各瞬时热流密度以及边界对流交换情况，如式2-6所示：
式2-6
式中P表示空间变量或者空间点；n为外法线方向；β为对流热交换系数；β与流体粘滞性、流态以及流速等因素有关。当β数值很小时，qn数值近似为零，接近绝热边界条件，此时可将边界温度等同于流体温度。[6]
2.2.3热分析有限单元法
目前在确定混凝土结构温度场之后，可以通过热传导微分方程法、近似数值分析方法以及半经验半理论公式法三种方法来研究温度分布规律。在理论基础上建立适合桥梁工程的经验计算公式，利用ABAQUS、ANSYS、ADINA、MCS.MARC等软件工具，满足不同环境和自然条件下的计算需求。
将温度场空间域离散为有限个单元体即为有限单元法，通过在制定部位设置节点可以使参数具有连续性，从而构成结合体来取代之前的结构。用温度插值函数可以确定单元节点温度，将温度代入热微分方程可总体合成单元节点，然后求解常微分方程组即可得到温度分布情况。有限元分析图如下所示。
图4 箱梁外表面温度时程曲线
把计算所得到的箱梁外表面日变化温度作为箱梁热分析有限元模型中的重要约束条件之一，而箱梁内表面所被纳入考虑的因素就只有箱内空气的对流传导，所取的对流系数为3. 5( W /m 2 ? K)。在对混凝土热性能参数进行确定的过程中，要对混凝土各个成分的组成重量进行估算。
在计算混凝土结构温度应力时，首先需要建立空间模型相关截面，进行单元划分，保存相关截面文件。然后选取相应的温度大小和和温度梯度模式读取上述截面文件进行分析计算，确定好参考温度及对应的膨胀系数，根据混凝土材料的弹性模量、质量以及泊松比等，确定材料矩阵编入文件并保存。之后进入ANSYS程序建立混凝土箱梁桥空间模型，对保存的材料矩阵和截面信息进行读取处理，定义材料属性，建立材料属性、截面以及桥梁单元之间的联系，构建有限元模型，读取相关温度载荷矩阵并加载。最后确定边界条件计算求解，得到截面应力分布以及结构内应力值。
混凝土桥梁耐久性与桥梁局部及整体质量随时间的推移而产生的变化有关，混凝土裂缝、混凝土腐蚀、损伤积累以及钢筋腐蚀都是影响混凝土桥梁耐久性的因素。在光照辐射下，会造成混凝土内部形成瞬时非均匀温度梯度，从而产生温度应力造成混凝土开裂影响桥梁使用寿命。因此，在桥梁设计和建造过程中，不仅需要考虑外界自然条件对桥梁使用时间的影响，还需要注意太阳光辐射引起的桥梁温度应力的作用，将太阳辐射因素考虑到桥梁的设计中，定期检测桥梁内部温度应力分布情况，尽可能的降低温度应力引起的桥梁裂缝和形变，增强桥梁的稳定性，提高桥梁使用寿命。在明确桥梁内部温度应力分布之后，根据实际情况对桥梁结构进行适当改进，以减少温度应力带来的影响。
4、结束语
本文通过对某常见的混凝土箱梁桥结构进行分析，提出了箱梁桥内部温度梯度分布和温度应力分布情况。由于太阳光对桥梁不同结构照射强度和时间不同，造成桥梁内部处于不同的升降温状态，桥梁表面热传导性也有差异，导致桥梁结构内温差的产生，使混凝土容易形成严重开裂，影响混凝土桥梁的正常使用，给人们的生活带来极大不便。因此，对混凝土桥梁的温度效应和和温度场进行有效的研究具有十分关键的意义，可以为桥梁设计和建筑行业提供科学的理论指导。
参考文献：
[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制 [M ].北京: 中国电力出版社 , 2016.
[2] 刘耀东 ,陈祥宝.采用人工神经网络求解箱梁温度场算法研究 [ J ].中国公路学报 , 2015, 13( 1).
[3] 魏光坪 .单室预应力混凝土箱梁温度场及温度应力研究 [J].西南交通大学学报 ,2017, 74( 4).
[4]王效通. 预应力混凝土箱梁温度场计算的有限元法[J].西南交通大学学报 , 2015, ( 3).
[5]叶见曙. 混凝土箱梁温度分布观测与研究[J]. 东南大学学报，2015，32(5)：788～793．
[6]孙国晨. 钢一混凝土叠合梁横截面日照温度分布研究[J]. 工程力学，2016，23(11)：122～127.
论文作者:李果
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/20
标签：桥梁论文; 温度论文; 混凝土论文; 应力论文; 日照论文; 边界论文; 条件论文; 《防护工程》2017年第20期论文;