【摘 要】為研究研究混凝土橋塔在高原大溫差、強(qiáng)日照環(huán)境下由溫度應(yīng)力引起的混凝土結(jié)構(gòu)表面開(kāi)裂問(wèn)題,文章以規(guī)劃中某大橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行分析。對(duì)于西藏地區(qū)極端氣候(環(huán)境溫度變化范圍為-10~30 ℃)條件下的橋塔節(jié)段的受力特性進(jìn)行了研究,模擬在24小時(shí)內(nèi)歷經(jīng)降溫-升溫-降溫過(guò)程,在日照輻射、熱傳遞、對(duì)流的作用下,對(duì)比分析了不同邊界條件、是否施加荷載和不同截面形式的橋塔結(jié)構(gòu)混凝土層的溫度場(chǎng)分析、應(yīng)力場(chǎng)分析、拉伸損傷以等不同因素。結(jié)果表明:(1)改進(jìn)截面方案中混凝土塊倒角使混凝土塊周?chē)€過(guò)渡平緩,有利于減少應(yīng)力集中;(2)軸向荷載有利于減緩核心混凝土的開(kāi)裂;(3)布置加勁肋有利于減緩核心混凝土的開(kāi)裂;(4)此添加巖棉板有利于減緩核心混凝土的開(kāi)裂。
【關(guān)鍵詞】日照輻射; 熱傳遞; 不同截面形式的橋塔結(jié)構(gòu); 高原大溫差; 強(qiáng)日照
【中圖分類(lèi)號(hào)】
U441+.5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A
高原地區(qū)呈海拔高、環(huán)境濕度小、日溫差及季節(jié)性溫差大等特點(diǎn)。對(duì)西部高原地區(qū)的多個(gè)混凝土工程實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn),部分結(jié)構(gòu)在服役中后期開(kāi)裂嚴(yán)重,而非在建成初期,并且其開(kāi)裂規(guī)律與平原地區(qū)有較大差別[1]。高原特殊環(huán)境對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性具有顯著的劣化效應(yīng)。由于干燥、大風(fēng)等因素,塔柱易在結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生微裂縫,隨后在溫度變化、凍融循環(huán)、酸堿腐蝕、超重行車(chē)等外界作用下,裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展貫通至失效。而周期性變化的大氣溫差,強(qiáng)烈日照等非線性溫度荷載使結(jié)構(gòu)體內(nèi)產(chǎn)生的溫度次應(yīng)力,往往超過(guò)結(jié)構(gòu)恒載、活載及其它作用產(chǎn)生的應(yīng)力,是致使橋塔表面開(kāi)裂的重要因素[2]。國(guó)內(nèi)外均有因溫度作用引起混凝土橋梁失效的相關(guān)報(bào)道[3-5]。當(dāng)橋塔表層開(kāi)裂部位積水并經(jīng)歷反復(fù)凍融,導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕,進(jìn)一步加速開(kāi)裂過(guò)程,顯著降低結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性與服役質(zhì)量,且加固困難,亟需研究防止高原環(huán)境下混凝土橋塔開(kāi)裂的有效措施。
王鵬等[6]研究了某斜拉橋混凝土橋塔降溫作用下的早期溫度收縮裂縫特性,結(jié)果表明:當(dāng)環(huán)境降溫與水化熱同時(shí)作用時(shí),混凝土橋塔開(kāi)裂的可能性會(huì)大大提高。黃維樹(shù)等[7]對(duì)溫度效應(yīng)計(jì)算的方法進(jìn)行介紹,然后以有限元分析方法,開(kāi)展溫度仿真分析以及熱力耦合分析,最后分別對(duì)各塔節(jié)的開(kāi)裂原因進(jìn)行總結(jié)分析。向?qū)W建等[8]針對(duì)高原地區(qū)冬季條件下箱梁溫度場(chǎng)的邊界條件的確定進(jìn)行了較為深入的研究。張寧等[9]對(duì)高原高寒地區(qū)四季典型氣候特點(diǎn)下橋塔的溫度場(chǎng)進(jìn)行詳盡分析,并對(duì)橋塔四季的溫度效應(yīng)進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高原地帶下極端溫差下混凝土的開(kāi)裂的影響進(jìn)行的還不夠全面,對(duì)橋塔溫度場(chǎng)研究不夠多。此處主要研究混凝土橋塔在高原大溫差、強(qiáng)日照環(huán)境下由溫度應(yīng)力引起的混凝土結(jié)構(gòu)表面開(kāi)裂問(wèn)題。雖然橋塔錨固區(qū)受較大集中力影響,使塔柱錨固區(qū)成為裂縫的多發(fā)區(qū)域,但本次模擬主要考慮該橋塔處于特殊氣候環(huán)境,荷載及施工技術(shù)對(duì)于混凝土開(kāi)裂問(wèn)題成為次要影響因素。本文以規(guī)劃中某大橋?yàn)楸尘?,基于有限元軟件建立橋塔?jié)段三維有限元模型,對(duì)不同截面形式的橋塔溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究。
1 工程背景
大橋橋長(zhǎng)1 200 m,橋高610 m,為雙線鐵路橋,線間距為7.5 m。大橋?yàn)橹骺? 000 m鋼桁梁懸索橋方案,主梁孔跨布置為(120+1000+80) m。主纜矢跨比為1/9,全橋采用兩根主纜,主纜孔跨布置為(260+1000+260) m。主梁采用鋼桁梁,主塔暫定采用H型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ),錨碇采用隧道錨。全橋土建工期約72個(gè)月。
2 有限元模型和計(jì)算條件
2.1 有限元模型
首先對(duì)橋塔節(jié)段進(jìn)行三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析,再將溫度場(chǎng)作為溫度荷載加載于模型,以實(shí)現(xiàn)熱力耦合分析。在ABAQUS軟件中,三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析采用DCC3D8單元模擬。應(yīng)力場(chǎng)分析中采用實(shí)體元C3D8R單元進(jìn)行模擬,為提高計(jì)算效率,分析中暫不考慮組合結(jié)構(gòu)各部分之間滑移的影響,接觸面均采用綁定接觸模擬。我們?cè)摯畏治鲋饕芯亢诵耐步M合橋塔,核心筒橋塔三種不同截面(原始截面和兩種改進(jìn)截面)形式如圖1所示。為使橋塔節(jié)段受力盡可能接近實(shí)際狀態(tài),限制橋塔節(jié)段底面x-y面的z方向位移,在邊界a再施加y方向約束以及限制邊界b的x方向位移,如圖2所示。
2.2 溫度邊界條件
橋塔日照溫度場(chǎng)數(shù)值模擬,其目的是得到混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng),從而分析出最不利的溫度荷載。影響結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的因素,從能量來(lái)源方面,可以分為三類(lèi),即太陽(yáng)直接輻射,結(jié)構(gòu)與空氣的熱對(duì)流以及結(jié)構(gòu)本身與周?chē)h(huán)境以長(zhǎng)波輻射形式的熱交換。
2.2.1 太陽(yáng)直接輻射qs
太陽(yáng)是地球能量的主要來(lái)源,同時(shí)也是結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)變化的源頭。太陽(yáng)輻射將使得大氣溫度在晝夜之間產(chǎn)生明顯差異,呈現(xiàn)日周期性變化。因此模型中通常不能忽略日升溫及降溫過(guò)程中的太陽(yáng)輻射值。根據(jù)文獻(xiàn)選取太陽(yáng)輻射日變化過(guò)程的近似函數(shù)[10]。
式中:q0為正午最大輻射,q0=0.131 mQ;m=12/c;Q為日太陽(yáng)輻射總量,夏季取26×106 J/m2,冬季取20×106 J/m2;c為實(shí)際有效日照時(shí)間,夏季取12 h,冬季取9 h;夏季最大輻射取800 W/m2,冬季取400 W/m2,具體取值可根據(jù)實(shí)際插值選取。
2.2.2 輻射輻射換熱qr
根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律和基爾霍夫定律,可以得到結(jié)構(gòu)輻射如下計(jì)算式[11-12]:
式中:Ta為環(huán)境溫度,hr為輻射換熱系數(shù),Tv為物體表面溫度,輻射換熱系數(shù)hr可由下式計(jì)算[12]:
式中:ε為物體表面的熱輻射率;Cb為黑體輻射系數(shù),值為5.67 W/(m2·K)。
采用上式計(jì)算輻射換熱系數(shù)較為復(fù)雜,本次數(shù)值模擬采用下式近似計(jì)算:
2.2.3 對(duì)流換熱qc
對(duì)流換熱通常指結(jié)構(gòu)表面與周?chē)諝獾膿Q熱。當(dāng)結(jié)構(gòu)與空氣溫度不同時(shí),結(jié)構(gòu)表面與流體之間會(huì)發(fā)生熱量交換,即對(duì)流換熱。對(duì)流換熱按照形成的原因,可以分為自然對(duì)流和受迫對(duì)流。在實(shí)際橋梁工程中,只涉及自然對(duì)流。
對(duì)流換熱可由牛頓對(duì)流換熱定理表示為[14]
式中,hc為對(duì)流換熱系數(shù),單位W/(m2·K);Tv為橋塔表面溫度;Ta為結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境溫度,考慮到實(shí)際情況,即為結(jié)構(gòu)所在地大氣溫度。
2.2.4 環(huán)境溫度
結(jié)構(gòu)周?chē)h(huán)境溫度取值,可以根據(jù)實(shí)際情況,實(shí)際測(cè)量當(dāng)?shù)乜諝鉁囟?,也可以根?jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù),通過(guò)每日最高氣溫Tmax,最低氣溫Tmin,進(jìn)行擬合的氣溫曲線來(lái)取值,可表示為:
式中:Ta為t時(shí)刻環(huán)境的擬合氣溫,Tmax為日最高氣溫,Tmin為日最高氣溫,t為時(shí)間,0≤t<24。
根據(jù)怒江大橋?qū)嶋H所處橋址——西藏自治區(qū)昌都市八宿縣氣象觀測(cè)顯示。極端年最高高溫為33.4 ℃,極端低溫為-16.9 ℃,年均溫度為10.4 ℃。但鑒于缺乏最不利日氣溫觀測(cè)資料,本次數(shù)值模擬采用每日最不利氣溫?cái)M合的曲線來(lái)取值分析。采用Tmax=30℃,Tmin=-10℃。本次模擬環(huán)境溫度按照日氣溫變化曲線設(shè)置,如圖3所示。
本次分析根據(jù)擬合的溫度曲線,模擬橋塔處于極端氣候條件下在24 h內(nèi)經(jīng)歷降溫—升溫—降溫過(guò)程,日照輻射強(qiáng)度按照式(1)作為模型參數(shù)輸入進(jìn)行施加荷載。由于無(wú)法確切知道某一時(shí)刻結(jié)構(gòu)所有部分的溫度,本次模型模擬進(jìn)行一定簡(jiǎn)化,在模型中假定某一合理初始狀態(tài),通過(guò)周期性熱交換消除該初始狀態(tài)對(duì)于溫度場(chǎng)的影響,以橋塔外部邊界溫度變化模擬環(huán)境溫度變化,從而能夠較為準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況。假設(shè)模型初始溫度為最低氣溫0:00時(shí)刻的溫度值2.35 ℃,設(shè)置模型外邊界與環(huán)境溫度共同變化,以此消除簡(jiǎn)單設(shè)置的初始溫度邊界對(duì)于模型溫度場(chǎng)計(jì)算造成的誤差。
3 計(jì)算結(jié)果和分析
3.1 線性計(jì)算
先不考慮混凝土的材料非線性和幾何非線性,以此來(lái)對(duì)比不同截面在一天相同溫差下的混凝土的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布。
3.1.1 溫度場(chǎng)分析
基于ABAQUS有限元模型計(jì)算了橋塔節(jié)段的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布,截面形式節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布如圖4所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于模擬的條件下24 h之后,①原始截面:內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到了9.89 ℃,截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為12.24 ℃; ②改進(jìn)截面一:內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到了9.69 ℃,截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為12.04 ℃;③改進(jìn)截面二:內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到了6.16 ℃,核心筒四周溫度均較高。最大溫度為8.51 ℃。
3.1.2 應(yīng)力場(chǎng)分析
對(duì)于核心筒組合橋塔上橫梁附近節(jié)段,截面形式節(jié)點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)分布如圖5所示。①原始截面:混凝土層最大主拉應(yīng)力為14.48 MPa,位于核心混凝土截面四角;②改進(jìn)截面一:混凝土層最大主拉應(yīng)力為7.45 MPa,位于核心混凝土截面四角;③改進(jìn)截面二:混凝土層最大主拉應(yīng)力為6.53 MPa,位于核心混凝土截面四角。
由表1可得,以上改進(jìn)設(shè)計(jì)方案均有一定的改進(jìn)效果,改進(jìn)方案二的作用最顯著,降低了53.78 %,但混凝土最大主應(yīng)力仍然達(dá)到6.53 MPa,這是因?yàn)榍懊娌捎玫氖蔷€性計(jì)算,未考慮混凝土的非線性,所以仍需進(jìn)一步再設(shè)計(jì)方案或計(jì)算方法上改進(jìn)。
3.2 非線性計(jì)算
接下來(lái)考慮混凝土的材料非線性和幾何非線性,采用非線性計(jì)算進(jìn)行分析。統(tǒng)一采用對(duì)改進(jìn)截面一不同改進(jìn)方案進(jìn)行分析。
3.2.1 溫度場(chǎng)分析
(1)對(duì)截面不采用任何改進(jìn)措施基于ABAQUS有限元模型計(jì)算了橋塔節(jié)段的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布,改進(jìn)截面一形式節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布如圖6所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于模擬的條件下24 h之后,內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到了12.66 ℃,截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為11.28 ℃,內(nèi)部仍為負(fù)溫。
(2)在豎向施加截面軸力,軸力大小采用恒載作用下的截面內(nèi)力,大小F=366 866.59 kN ,荷載施加在豎向頂面。
基于ABAQUS有限元模型計(jì)算了橋塔節(jié)段的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布,改進(jìn)截面一形式節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布如圖7所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于模擬的條件下24 h之后,改進(jìn)截面一:內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到了9.70 ℃,截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為9.70 ℃。
(3)設(shè)置加勁肋,在中間筒鋼板中間位置設(shè)置一道加勁肋,加勁肋厚度40 mm,寬度取計(jì)算得溫度效應(yīng)在混凝土中的影響深度600 mm,加勁肋的尺寸和位置見(jiàn)圖8。
于ABAQUS有限元模型計(jì)算了橋塔節(jié)段的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布,改進(jìn)截面一形式節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布如圖9所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于模擬的條件下24 h之后,內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到9.65 ℃,截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為12 ℃。
(4)同時(shí)設(shè)置加勁肋和施加軸向荷載,參數(shù)同上述一致。
于ABAQUS有限元模型計(jì)算了橋塔節(jié)段的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布,改進(jìn)截面一形式節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布如圖10所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于模擬的條件下24 h之后,改進(jìn)截面一:內(nèi)外側(cè)溫差達(dá)到了9.65 ℃,截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為12 ℃。
(5)加設(shè)巖棉板。截面類(lèi)型在改進(jìn)方案一截面基礎(chǔ)上改進(jìn)加設(shè)巖棉板,因巖棉板纖維細(xì)長(zhǎng)柔韌,渣球含量低,導(dǎo)熱系數(shù)低,具有極佳的保溫效果,有望減小溫度效應(yīng)的影響。巖棉厚度h分別取10 cm、15 cm、20 cm、25 cm。改進(jìn)方案一和計(jì)算截面如圖11所示。
于ABAQUS有限元模型計(jì)算了橋塔節(jié)段的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布,改進(jìn)截面一在四種不同巖棉厚度下的節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分布如圖12所示。當(dāng)結(jié)構(gòu)處于模擬的條件下24 h之后,圖12(a)巖棉厚度10 cm:截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為4.92 ℃;圖12(b)巖棉厚度15 cm:截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。最大溫度為4.91 ℃;圖12(c)巖棉厚度20 cm:截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大溫度為4.90 ℃;圖12(d)巖棉厚度25 cm:截面最高溫度位于核心筒四個(gè)倒角處,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中,最大溫度為4.91 ℃。
由上述采取的不同措施對(duì)比可知,考慮在鋼板和混凝土間添加巖棉板后,巖棉板保溫效果極為顯著,可作為考慮選項(xiàng)之一。
3.2.2 應(yīng)力場(chǎng)分析
(1)對(duì)截面不采用任何改進(jìn)措施?;炷翆幼畲笾骼瓚?yīng)力為2.89 MPa,位于核心混凝土截面四角(圖13)。
(2)在豎向施加截面軸力,數(shù)值同上所述?;炷翆幼畲笾骼瓚?yīng)力為2.30 MPa,位于核心混凝土截面四角(圖14)。
(3)設(shè)置加勁肋,尺寸如上所述?;炷翆幼畲笾骼瓚?yīng)力為2.69 MPa,位于核心混凝土截面四角(圖15)。
(4)同時(shí)設(shè)置加勁肋和施加軸向荷載,參數(shù)同上述一致?;炷翆幼畲笾骼瓚?yīng)力為2.30MPa,位于核心混凝土截面四邊中部(圖16)。
(5)加設(shè)巖棉板。圖17(a)巖棉厚度10 cm:混凝土層最大主拉應(yīng)力為0.484 MPa,位于核心混凝土截面四個(gè)倒角處;圖17(b)巖棉厚度15 cm:混凝土層最大主拉應(yīng)力為0.919 MPa,位于核心混凝土截面四個(gè)倒角處;圖17(c)巖棉厚度20 cm:混凝土層最大主拉應(yīng)力為0.787 MPa,位于核心混凝土截面四個(gè)倒角處;圖17(d)巖棉厚度25 cm:混凝土層最大主拉應(yīng)力為0.683 MPa,位于核心混凝土截面四個(gè)倒角處。
由上述采取的不同措施對(duì)比可知,設(shè)置加勁肋、施加軸向荷載、加設(shè)巖棉板皆可降低混凝土的應(yīng)力水平,但相比較而言加設(shè)巖棉板時(shí)混凝土應(yīng)力水平時(shí)最低的,計(jì)算結(jié)果收斂。
3.2.3 混凝土拉伸損傷
(1)對(duì)截面不采用任何改進(jìn)措施。混凝土最大拉伸損傷為0.946,位于核心混凝土中間部分(圖18)。
(2)在豎向施加截面軸力,數(shù)值同上所述?;炷磷畲罄鞊p傷為0.991,位于核心混凝土截面四角(圖19)。
(3)設(shè)置加勁肋,尺寸如上所述?;炷磷畲罄鞊p傷為0.998,位于核心混凝土截面四角(圖20)。
(4)同時(shí)設(shè)置加勁肋和施加軸向荷載,參數(shù)同上述一致(圖21)。
(5)加設(shè)巖棉板。加設(shè)巖棉板時(shí),混凝土沒(méi)有拉伸損傷。
由上述采取的不同措施對(duì)比可知,加設(shè)巖棉板沒(méi)有混凝土損傷,加設(shè)加勁肋、施加軸向荷載皆會(huì)增大混凝土的拉伸損傷?;炷磷畲罄鞊p傷為0.998,位于核心混凝土截面四角。
4 結(jié)論
(1)改進(jìn)截面方案中混凝土塊倒角:節(jié)省材料,降低工程造價(jià);倒角使混凝土塊周?chē)€過(guò)渡平緩,有利于減少應(yīng)力集中。
(2)考慮施加軸向荷載后,核心混凝土層最大主拉應(yīng)力值由2.89 MPa減小為2.30 MPa,因此軸向荷載有利于減緩核心混凝土的開(kāi)裂。
(3)考慮鋼箱內(nèi)部布置縱向加勁肋后,核心混凝土層最大主拉應(yīng)力值由2.89 MPa減小為2.69 MPa,因此布置加勁肋有利于減緩核心混凝土的開(kāi)裂。
(4)考慮在鋼板和混凝土間添加巖棉板后,巖棉板保溫效果顯著,在只考慮混凝土非線性和幾何非線性時(shí),計(jì)算結(jié)果收斂,混凝土所受到的應(yīng)力未達(dá)到C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度1.89 MPa,混凝土未產(chǎn)生損傷。核心混凝土層最大主拉應(yīng)力值由2.89 MPa減小為0.683 MPa(巖棉厚度25 cm)。因此添加巖棉板有利于減緩核心混凝土的開(kāi)裂。
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[定稿日期]2021-01-28
[作者簡(jiǎn)介]李小擁(1996~),男,在讀碩士,研究方向?yàn)楦咝阅茕撆c組合結(jié)構(gòu)橋梁。