文摘

本研究旨在揭示温度场的演变规律和影响机制及其效应的大跨度钢管混凝土拱桥在高原地区。的温度场及其效应大口径钢管混凝土拱桥在强烈的辐射,水化热,大温差使用ANSYS的瞬态热分析方法进行了研究。优化方法在横向灌注顺序和perfusion-time间隔考虑温度效应提出了基于应力影响线,相当于年龄理论,和能源的方法。结果表明,温度场沿径向分布的对称three-segment折线的影响深度D / 4在环境温度和水化热,和它分布非对称three-segment折线的影响深度D / 8在太阳辐射下,环境温度,和水化热,这是小于指定值的D / 4。最高温度在20°C高于阴影。太阳辐射吸收系数的影响以及环境温度对最大温度梯度和最大应力大于风速。优化方法在横向灌注顺序和perfusion-time间隔考虑温度效应提出了合理,方便工程应用。

1。介绍

钢管混凝土(钢管混凝土拱桥已广泛应用于公路、铁路项目在中国西部的山区1]。以川藏铁路为例,一些大跨度钢管混凝土拱桥已计划在该地区。然而,温度场的钢管混凝土拱桥在高原和山区不同于其他领域的温度场由于前强烈的太阳辐射和环境温度差异大。一个拱肋组成的大口径钢管和混凝土将展示独特的温度范围和趋势,所以重要的是要研究温度场及其效应的大跨度钢管混凝土拱桥在高原和山区。

这是认为环境参数有很大的影响箱梁桥的温度梯度2- - - - - -4]。全面的节段长期温度场的实验研究基于在西藏雅鲁藏布江大桥进行了2018年8月和2019年1月5,6),垂直温度梯度的计算公式提出了夏季和冬季。指出大温差和冷却温差会导致大的拉应力,导致孔隙这些拱桥。全面的节段性实验研究低温下的水化热温度场的基础上,在西藏雅鲁藏布江大桥进行了(7,8),结果表明,水化热温度场的演化规则的大型钢管混凝土拱桥是类似于大体积混凝土。垂直温度梯度的计算模型,极端温度的差异,和12个成员的横向温度梯度不同的倾斜角度和方向进行了研究,并指出钢管混凝土拱桥在中国标准的温度梯度是被低估的9,10]。与大直径钢管的温度梯度模式成员在阳光下成立与有限元分析(11]。指出温度梯度增加增加截面大小,在试验研究四12个标本12]。也指出,圆形钢管混凝土拱肋在阳光的温度场在时间和空间的非线性,常规的径向(13]。得出每个管的温度分布和平均温度在four-limb桁架拱是接近一个圆管14]。电缆力考虑温度效应的改进算法,提出了基于理论电缆力之间的关系,推导出拱肋对齐,和温度变化15,16]。钢管尺寸对温度场的影响进行了研究,并表现的最大温度梯度增加钢管直径的增加(17]。垂直的径向温度梯度的分布模型的钢管混凝土拱桥在高原地区大温差安装和依赖数据从Sulongzhu黄河大桥18]。

许多研究工作温度场及其效应的钢管混凝土拱桥进行了,并取得了一些研究结果。然而,大多数研究使用小跨度拱桥,不包括多个因素,和大多数忽略在凝固和硬化温度梯度的影响。的温度场及其效应大口径钢管混凝土拱桥在太阳辐射强,温差大,水化热进行了研究。每天太阳辐射的影响,环境温度差异,并在温度梯度风速及其在混凝土硬化的影响进行了分析。优化方法对横向灌注顺序和perfusion-time间隔考虑温度效应提出了基于拱肋的应力影响线,相当于年龄混凝土理论和能量的方法。研究结果可以提供一个理论依据施工大跨度钢管混凝土拱桥在山区。

2。环境参数

2.1。太阳辐射

太阳辐射在夏至Jiacha县西藏,纬度29.15°,夏至的倾斜角23.44°,分析了海拔3200米为例。阳光从8点到晚上8点,初始温度是15°C,反射系数和地面辐射和太阳散射辐射系数是0.35和0.138,分别。基于ASHRAE这样的太阳辐射计算模型(19),而地球上的太阳能辐射强度的日变化在夏至如图1。地球上最大的太阳辐射强度出现在15:00。

2.2。环境温度

从本地历史温度数据和雅鲁藏布江大桥的施工监控数据,公共环境温差和平均大气温度是20°C和22.5°C,分别。每一次的环境温度(见图一天2从正弦)计算温度曲线(20.]。

2.3。水化热

水化热不能直接应用于有限元分析软件(21,22),但应该首先被转化为热生成率。有三个主要步骤:(i)计算热生成率,(2)应用热生成率,和(3)创建热分析的解决方案。

热生成率可以使用以下公式计算: 在HGEN (kJ / (d.m.吗³)代表了混凝土的热生成率;米是一个常数与水泥类型,特定的表面,和浇注温度;问₀(焦每千克)是完整的水化热,这是与水泥材料的成分,可以通过一个数学模型估计23];和W(公斤/米³)是水泥消费单位体积混凝土。

单位转换所示(2)执行。

因此,热生成率可以通过使用下面的公式计算:

HGEN (W / m³)可以应用于元素在ANSYS BFE命令描绘洪涝频发。

水化热及热生成率后28天凝固图所示3和4。

温度场共同作用下钢管混凝土拱桥的上述参数进行了研究。

3所示。分析方法

3.1。ANSYS热分析有限元法

考虑到温度荷载引起的太阳辐射、环境温度,和水化热变化随着时间的推移,瞬态热分析方法(24)是用于本文。接收到的太阳辐射强度在不同位置的组件由于遮挡效应是不同的。如果参数语言编程的条件语句是用来识别这种遮挡效应。太阳高度角的余弦值为0时计算值是负的,这表明太阳被阻塞或组件是阴影。

3.2。瞬态热分析模型

成员的直径和壁厚,分别为1.6米和28毫米;辐射吸收系数为0.6;风速是3 m / s的有限元模型。钢管和混凝土模拟SOLID70热分析元素,和钢管与混凝土界面由VGLUE相连实现连续的传热。网络部门和中跨的测量点数图所示5。

钢管和混凝土的热性能如表所示1。

3.3。ANSYS的瞬态热分析方法的实验验证

3.3.1。实验设计

为了验证有限元分析软件的准确性提出了瞬态热分析方法,进行了温度场的实验研究基于钢管直径50厘米,1米的长度,壁厚4毫米(见图6)。12的钢筋骨架温度传感器(见图7)当浇注中跨。传感器线直径3毫米被从预留孔和连接到主机的温度采集系统(见图8)。强烈的阳光下的温度场是连续测量凝固后的6天。与此同时,太阳辐射强度和大气温度测量,以应用热边界条件的有限元模型。

3.3.2。对比测试结果和有限元结果

混凝土的温度在界面顶部光明和温度之间的中间的具体测试结果和有限元结果如图9和10,分别。结果表明,温度偏差的最大值在界面顶部光明面之间的中心和最高温度偏差的测试结果和有限元结果大约是4°C和8°C,分别。中间的温度偏差稍大一些节点的水化热计算的经验公式。这些偏差满足工程精度的要求。本文建立的瞬态热分析算法可以应用于实际工程。

4所示。在水化热温度场及其影响,强烈的辐射,和大温差

4.1。温度场的分布

云计算的温度场图上午6点到下午2点三天凝固后如图11。

分析表明,成员的温度场均匀分布在纵向方向,从1点到8点,变化小。混凝土的最高温度(中心)是接近53°C,这是高于钢管。钢管的温度在增加逐渐从早上8点到晚上8点和下午4点到达53.1°C的最大,但核心混凝土的温度停留约53°C从早上8点到晚上8点。钢管的温度逐渐降低,散热从8点到12点。

有一个顶部和底部之间的温度梯度图的钢管11;这是因为太阳辐射强度的顶部钢管最大下午2点,在底部的钢管是0(屏蔽效应)。

混凝土内部的温度不受外部环境的影响,可以被认为是保持不变。(图的影响深度12)代表具体的影响范围的外部环境温度,它决定了温度曲线。

温度的分布在下午和晚上沿着直径方向如图13和14,横坐标代表测点之间的距离比钢管的内表面上阳光明媚到钢管的内径(l /d),纵坐标代表测量的温度点。

从图可以看出13下午的温度分布沿水平径向对称方向的影响深度D/ 8,减少第一从接口的阳光的一面D中心/ 8,增加,然后降低从中心到界面上的暗面沿径向方向。最高温度的混凝土界面在大约55°C;在中心,约50°C;在阴影端接口,它是接近35°C。因此,最高温度在20°C高于阴影。

从图可以看出14中午的温度分布沿着每个径向对称,和混凝土的温度对其中心D/ 4基本上仍维持在高于50°C。晚上界面的温度很低,接近25°C。

总之,径向温度场在太阳辐射下,环境温度和水化热分布非对称three-segment折线的影响深度D/ 8,小于指定值D/ 4,在环境温度和水化热分布对称three-segment折线的影响深度D/ 4。

4.2。温度效应

间接耦合方法(25)是用于temperature-structure耦合分析计算钢管混凝土在温度梯度下的温度应力。接口与地接触单元模拟了一个假定的界面结合良好。目标的钢管表面模拟TARGE170元素,和核心混凝土接触面模拟CONTA173的一个元素。接触对模拟通过设置相同的两种不同的实常数号元素,和接触单元的几何特征一样附着固体元素(26]。钢管和混凝土都变成SOLID45在结构分析的一个元素。

结果表明,温度梯度引起的拉应力很大,径向分布不均,以及混凝土的最大拉应力是3.64E6 Pa。的压力钢管的光明面大于阴影,和最大拉应力是1.46E8 Pa。

4.3。灵敏度分析对温度场及其效应

4.3.1。的设计方案

根据调查,普通涂料的辐射吸收系数对钢管混凝土拱桥在0.5和0.75之间。常见的日常环境温度差异在西藏20°C在夏天和冬天30°C,但它可能超过40°C偶尔在一些极端环境中。桥址风速的变化很大,通常超过3米/秒。太阳辐射吸收系数的影响,日常环境温差和风速有关钢管混凝土拱桥温度效应分析了使用正交方法。设计方案如表所示2。

4.3.2。敏感性分析在温度梯度

每个方案的温度的计算结果表2水化热的共同作用下(大约72 h具体年龄),太阳辐射、环境温度如表所示3。

图15显示的最大温度梯度不同的工作计划表格2。图中可以看到15。(一)夜晚的温度梯度不受太阳辐射的影响。下午的最大温度梯度增加从20.7°C到26.4°C,增长了27.5%,太阳辐射吸收增加从0.55到0.75。(b)最大温度梯度在晚上和下午增加越来越日常环境温度差异。下午的温度上升20.6°C到26.4°C,增长了27.5%,每日不同环境温度是20°C到40°C。(c)风速主要影响外层钢管的热交换,对混凝土内部温度梯度几乎没有影响。

4.3.3。敏感性分析在温度效应

不同影响下的非均匀温度参数如表所示3是应用于有限元模型来计算其温度效应。钢管和混凝土的最大应力数据所示16和17,分别。结果表明:(一)下午的温度应力对太阳辐射敏感,和压力钢管下午2点从172 MPa提高到198 MPa,增长15%与太阳辐射吸收从0.55增长到0.75。具体下午2点上的压力从24.9 MPa提高到31.2 MPa,比上年增长25%。(b)日常环境温差的20°C到40°C,压力钢管的4点从128 MPa提高到147 MPa,增长了14.8%,和混凝土的应力在4点从25 MPa提高到32.3 MPa,比上年增长29.2%。压力钢管上下午2点从163 MPa提高到198 MPa,增长了21.4%,和具体的下午2点上的压力从23.7 MPa提高到31.2 MPa,比上年增长31.6%。(c)从3米/秒风速增加7 m / s,压力钢管的4点从147 MPa减少到127 MPa,下降15.7%,和混凝土的压力从32.3 MPa 4点减少到27.8 MPa,下降了16.2%。压力钢管上下午2点从198 MPa减少到178 MPa,减少11.2%,和具体的下午2点上的压力从31.2 MPa减少到26.1 MPa,下降了19.5%。

上述研究表明,在浇注混凝土过程中温度和淬火对结构应力和变形有很大的影响。有必要优化钢管混凝土拱桥的浇注方法,以减少在浇注混凝土过程中温度对力学性能的影响和硬化。

混凝土应力在夜间比白天高,如无花果所示17,这是由于核心混凝土的温度高于外由于水化热,夜里和外围混凝土的温度低于白天,所以在夜间温度梯度大于白天梯度。因此,混凝土压力(温度梯度引起的)在夜间比白天高。

5。应用温度场的理论

5.1。横向灌注顺序考虑温度效应

影响线反映了结构变形和内力的变化规律与单位负荷沿着拱圈。其横坐标代表焦点的位置加载,纵坐标代表影响系数(27]。越大,峰值应力影响线,在浇注混凝土过程中最大应力越大。为了简化计算工作负载,提出了影响线的峰值为主要指标来确定横向灌注序列。

在第4章详细的分析表明,温度梯度有很大不良影响拱肋的机械性能。拱肋与一个潜在的巨大的温度梯度应该比一个倒后拱肋可能小熊不利的温度梯度,这样结构温度效应在一个更大的刚度;基于这一原则,结合峰值的影响线,横向灌注方法提出了考虑温度效应。four-limb桁架部分(见图18)的浇注顺序1 #,2 #,3 #,4 #拱肋是确定上游和下游是否对称的钢筋混凝土拱肋。计算流程如图19。

5.2。研究Perfusion-Time间隔考虑温度效应

5.2.1。相同的年龄和混凝土温度之间的关系

年龄与混凝土成熟度。成熟的表达方程所示(4由Bergstrom) (28]。 在哪里一个_我养护时间(天)、T_我(°C)代表固化温度,米(°C.day)代表成熟。

相同年龄的成熟功能提出了Freiesleben,及其模型方程所示(5)根据阿伦尼乌斯函数(29日,30.]。 在哪里E(J /摩尔)表示激活能量,通常需要33.5焦每摩尔的价值,当T大于或等于20°C和33.5 + 1.47×(个)焦每摩尔的时候T小于20°C;R气体常数8.314 J /(摩尔·K);t_e(小时)代表相当于年龄在参考温度;T_r(°C)是20°C的参考温度;T_e(°C)是真正的温度t;和Δt(°C)代表perfusion-time区间。

5.2.2。早期混凝土刚度和温度之间的关系

早期弹性模量之间的关系和年龄的普通混凝土安装见方程(6通过实验研究()31日]。

方程(6网)是适用于在标准养护条件下混凝土。然而,很难确保凝结和硬化总是在标准养护条件下;因此,时代需要转换成等价的时代。后用方程(5)(6),早期混凝土的弹性模量和温度的关系和年龄成为以下方程: 在哪里和弹性模量在时间吗t和凝固后28天,分别;t和t_e分别具体年龄和年龄相当于混凝土;T_e是真正的温度t;和T_r是参考温度,一般20°C。

5.2.3。Element-Weighted弯矩能源和Perfusion-Time间隔之间的关系和温度

理论element-weighted时刻应变能和弹性模量之间的关系所示下列方程(32]。 在哪里E弹性模量是不考虑温度效应; ,我和代表节点负载向量、惯性矩和总体刚度矩阵,分别;是单位加权系数,可以计算吗 为米单位;是单位长度;和是局部坐标系之间的角度和全球坐标系统。

之间的关系的具体年龄和perfusion-time间隔显示了每个拱肋以下方程: 在哪里D_我perfusion-time间隔的结束吗我th拱肋的开始我+ 1-th拱肋;t_我和T_我具体的年龄和浇注时间吗我分别th现浇拱肋;和t₁代表灌注完成的时候。

替换后(9)(7),弹性模量可以表示为一个函数的温度和perfusion-time间隔,见以下方程:

用(10)(8),加权弯矩之间的理论关系可以获得能源和浇注时间和温度。随后的方程如下:

在方程(11),只有一个自变量的perfusion-time间隔一次温度决定。

5.2.4。优化

加权弯矩应变能完成桥梁的状态(不考虑截面安装)所示下列方程:[32]。 在哪里E,我,和年代混凝土弹性模量设计、惯性矩和拱肋的弧长,分别;和米_二世和米_ij杆的两端弯矩是元素。

perfusion-time间隔可以优化通过最小化加权弯矩之间的应变能的差异考虑部分安装和不考虑部分安装。 在哪里U(D),U(0)代表了加权弯矩应变能考虑和不考虑分段安装,分别D_我代表了perfusion-time间隔。

总之,perfusion-time间隔的优化算法基于温度场、等效理论,年龄和能源方法如图20.。

5.3。工程应用

5.3.1。项目概述和有限元建模

主要桥是通过悬链线钢管混凝土拱桥的净跨240米,跨度增加1/5的比例,设计拱轴系数为1.5。和弦顶部和底部直径1.016米,有一个14毫米壁厚;垂直网络直径0.508米,10毫米壁厚。板条的和弦连接板在横向有12毫米厚度,和两个与K-shaped空钢管拱肋连接。Q345B钢网和microexpansive混凝土被用于主拱肋。拱肋的截面图所示18。实际灌注顺序是1 # - 6 # - 2 # - 5 # - 3 # 8 # - 4 # - 7 #,和上游和下游拱肋钢筋混凝土在2010年一个接一个。指出在浇注混凝土过程中结构稳定性很低,和灌注序列应该更好的优化32]。

钢管和混凝土模拟二维热分析中的元素PLANE55热分析模型如图21。为了方便太阳辐射的应用负载,表面元素与孤立节点SURF151成立的外表面和内部组件。钢管与混凝土界面由VGLUE相连实现连续的传热。全桥的三维有限元模型和主拱圈图所示22。上下和弦和混凝土内部与元素模拟梁44岁和板条与元素模拟壳63。

5.3.2。温度场分析

温度场凌晨2点和下午2点太阳辐射、环境温度,这座桥是如图的水化热23。

结果表明,每个和弦的每日变化的温度场相互吻合较好,和温度的不均匀性上和弦大于那些降低每次的和弦。这是由于传热距离是轻微的小直径,和内部的温度影响混凝土水化热及外部环境在同一时间。的最大温度1 #,2 #,3 #,4 #和弦凌晨2点45.4°C, 44.7°C, 40.8°C,和41.4°C,分别和下午2点是57.6°C, 57.6°C, 44.4°C,分别和51.1°C。

的日变化的最大温差每个和弦图所示24。

结果表明,每个和弦的每日温差的变化基本上是相同的,但也有小的差异的最大温差值和时间。1 #的最大温度梯度和弦和2 #和弦在23.7°C和21.2°C,分别发生在下午2点,和3 #和弦和4 #和弦11.8°C和17.2°C,分别。这是因为较低的和弦吸收辐射热低于上部和弦由于屏蔽效应。

5.3.3。温度效应分析

非均匀温度场负载应用在4.3.2章根据给出的计算结果,和一个和弦的最大温度梯度是23.7°C。整体温升为23.7°C是相比较而言,和最大应力(SMAX)混凝土和钢管如图25。

比较整体温升之间的变形和应力条件和温度梯度条件图所示26。

图26显示的最大变形引起的温度梯度大于53.3%,在整体温升;的最大应力强度温度梯度造成的钢管是16倍,在整体温升;和拱顶混凝土的拉应力下温度梯度大,但它主要是压缩整体温升条件下。

结果表明,温度梯度下的温度效应大于,在整体温升。

5.3.4。横向灌注顺序

钢管拱肋混凝土没有被激活来计算在浇注混凝土过程中拱脚拱肋应力影响线的1 #,2 #,3 #,4 #。影响线的高峰值如表所示4。

结果表明,浇注时的高峰值压力影响线1 #和3 #拱肋基本上是相同的,他们是小于当倒拱肋的2 #和4 #。将1 # - 3 #钢管拱肋首先是有益的。根据温度场详细的在第三章,1 #和3 #的最大温差和弦是23.7°C和11.8°C,分别。所以,3 #和弦应该倒在第一个基于上述原则。

钢管拱肋和3 #的混凝土拱肋被激活来计算的应力影响线在浇注拱肋拱脚1 #,2 #,4 #。浇注时的峰值应力影响线拱肋的1 #(33.2)小于当倒拱肋2 #(36.7)和4 # (36.4)。所以,1 #和弦应该倒第二次。浇注时的高峰值压力影响线2 #和4 #拱肋基本上是相同的,但是2 #和弦的最大温差(21.2°C)比4 #和弦(17.2°C),所以4 #和弦应该倒第三,和2 #和弦应该倒。

这座桥的上游和下游组件倒对称同时减少安装时间。因此,横倒序列3(8)# # - 4 - 1(6)(7)# - 2(5)#基于应力影响线和温度场。灌注顺序,浇铸过程的最小稳定系数为7.3(见图27),大于4的稳定性要求。

建设稳定提高,投入周期缩短一半的研究方案提出了基于应力影响线和温度场。此外,24日施工模拟分析必须使用传统的穷举方法,是沉重的工作量和耗时。然而,应力影响线和温度场的确定使用方法提出了避免乏味的施工仿真分析,因此,便于工程应用。

5.3.5。灌注时间间隔

根据设计数据,采用C50这座桥的核心混凝土。基本弓成形进行了有限元分析,得到每个单元的弯矩和替换成(1322663.45),情况计算。

它可以被认为是相同的年龄和实际年龄是一致的施工条件好,混凝土早期硬化过程中温度达到标准条件。

假设倒每个拱肋,需要10天的时间倒混凝土肋一样 。

零级优化应用于确定最优灌注间隔基于部分的研究方法4.2。状态函数的拉应力满足要求的水平,目标是最小化加权弯矩之间的应变能的差异考虑部分安装和不考虑部分安装。设计变量进行迭代的初始值从1到5天1天。最优解的结果D1、D2、D3 4天,3天,3天,分别。它通常是在实际工程3或4天。这个加权能量优化方法是一种合理的方式计算钢管混凝土拱桥的浇注时间。

6。结论

系统和全面的温度场计算程序及其温度效应下的钢管混凝土拱桥太阳辐射、环境温度,和水化热是编译本文可以用来计算和负载太阳辐射强度,判断屏蔽效应,进行瞬态热分析。横倒序列的优化方法和钢管混凝土拱桥perfusion-time间隔考虑温度效应提出了基于应力影响线,温度场、等效年龄理论,和能源的方法。主要结论如下:(一)径向温度场的钢管混凝土拱桥在太阳辐射、环境温度和水化热分布非对称three-segment折线的影响深度D/ 8,小于指定值D/ 4,在环境温度和水化热分布对称three-segment折线的影响深度D/ 4。界面上的温度降低了阳光的一面D/ 8,然后增加到中心,然后减少从中心到界面上的阴影。最高温度在20°C高于阴影。混凝土的温度从它的中心D/ 4沿着径向大并关闭在晚上,和最高温度超过50°C。(b)横向灌注序列的计算方法基于应力影响线和温度场提出了可以提高稳定浇注阶段和简单和有效的工程应用。perfusion-time间隔的优化方法考虑影响混凝土温度时刻能源基于混凝土成熟度的理论和方法提出了有利于创造一个合理的施工时间。(c)混凝土的温度应力分布是不均匀的沿径向方向,最大拉应力是3.64 MPa。的压力钢管的光明面大于阴影,最大拉应力是146 MPa。(d)混凝土的最大温度梯度增加27.5%的太阳辐射吸收增加从0.55到0.75,和每日环境温差增加20°C到40°C。风速主要影响热交换的外钢管和混凝土内部的温度几乎没有影响。(e)钢管和混凝土的最大应力增加15%和25%,分别与太阳辐射吸收系数从0.55增长到0.75。钢管和混凝土的最大应力增加21.4%和31.6%,分别与每日温差增加20°C到40°C。钢管和混凝土的最大应力增加15.7%和19.5%,分别与-pwind从7米/秒速度降低到3 m / s。(f)的结果与有限元温度场试验吻合较好,这证明了本文建立的瞬态热分析算法可以用于预测在实际工程情况下的温度场。钢管混凝土拱桥的温度控制系统,可以防止孔隙和裂缝由温度梯度引起的混凝土硬化可以建立基于温度场的分布和演化了本文需要进一步研究。

数据可用性

本研究使用的数据来支持可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由重庆交通行业科技项目(kjxm2021 - 0966);重庆的国家自然科学基金:长期的温度场和温度效应研究钢管混凝土拱桥在非常寒冷的地区(项目审查。:2022 nscq-msx5138)。