汤刚，杨龙，杨美良

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410001）



双肢薄壁高墩温度效应研究∗

汤刚1，杨龙2，杨美良1

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410001）

摘要：以广西资兴（资源梅溪—兴安）高速公路杨家湾大桥为例，研究山区砼高墩桥梁的温度场，明确日照温差对砼薄壁高墩的影响；基于MIDAS FEA有限元软件建立杨家湾主桥整体分析模型和桥墩分析模型，研究在不同日照温度工况下墩身中应力的分布规律和桥墩的变形情况。结果显示，墩身中环向应力、竖向应力都较大，最大拉应力可达1.86 MPa左右，最大压应力可达6.78 MPa左右；桥墩墩顶的平动变形最大值为23 mm，扭转变形最大值为1.528′。

关键词：桥梁；双肢薄壁高墩；温度场；温度效应；温度应力

近些年，中国桥梁事业取得显著发展，朝着大跨径、薄壁、轻型结构的方向发展，特别是建立在险峻山谷的桥梁，为了符合线路的走向，适应桥址区地形地貌的特点，多采用薄壁高墩结构。在砼高墩结构中，双肢薄壁高墩有其独特的优点，它允许桥梁结构有较大的纵向变位，和单肢墩相比，双肢墩本身具有更大的整体刚度，而且支点弯矩峰值更小，因而可减小墩顶截面尺寸。凭借以上优点，双肢薄壁墩多应用于山区桥梁建造中。

由于自身长期所处的复杂环境，桥梁结构不断受到日照辐射、大气气温变化等影响，且自身具有较差的热传导性能，当结构受到阳光照射时，结构外表面与内部之间形成较大温差，由该温差产生的变形受到各种阻碍时将产生极大的温度应力。大量研究表明，薄壁高墩结构中，日照温差效应产生的应力非常大，甚至会使砼结构开裂，影响正常使用。该文以广西资兴（资源梅溪—兴安）高速公路杨家湾大桥为例，对砼高墩的温度效应进行研究分析。

1　日照温度场实测分析

1.1工程概况

杨家湾大桥是广西省资兴高速公路上的一座高墩大跨连续刚构梁，跨径为（50+90+50）m（见图1）。主梁及双薄壁墩墩梁固结处5 m过渡段采用C55砼，薄壁墩及薄壁墩系梁采用C40砼。墩高最大为75 m，A肢与B肢间设置三道橫系梁，桥梁轴线方位角为东偏北42°。在距墩顶5 m和墩底5 m处设置2个温度测试断面Ⅰ、Ⅱ，各布置54个温度测点，内部测点距外表面的距离分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.9 m，B肢布置与A肢相同（见图2）。

图1　杨家湾大桥主桥示意图（单位：m）

图2　截面尺寸及温度测点布置（单位：cm）

1.2双肢薄壁墩日照温度场现场测试

在夏季，在气温较高、太阳辐射强烈、风速小时测试桥墩截面Ⅰ和Ⅱ沿墩身外壁板的温度分布，测试时间为24 h。测试日的天气情况为：最低气温19℃，最高气温35℃，风速2.3 m/s。实测数据见图3。

图3　桥墩各侧壁板温度沿壁厚方向的分布

1.3双肢薄壁墩沿壁厚方向温度分布

根据相关研究成果，在日照作用下，墩高方向温差很小。桥墩受到日照作用，墩身截面受阳面与内部之间存在一定温差，温度梯度沿壁厚方向的分布可表示为：

式中：Toy为温差，日照取正值；a为指数系数；y为坐标（m）。

运用最小二乘法原理对实测温度数据进行整理分析，将式（1）两边取自然对数，得ln Ty=ln Toyay。令ln Ty=T、ln Toy=B，得T=B-ay。对各壁板最大温差取自然对数，拟合各侧壁板的温度梯度模式，结果见表1。

表1　对各壁板最大温差时刻沿壁厚方向的温差取自然对数

将表1数据进行整理，拟合东北侧和西南侧的温度函数，东北侧14：00时为Ty=15e-8.54y；西南侧16：00时为Tx=19e-10.42x。

有限元分析中，将双肢薄壁高墩的B肢作为研究对象，根据杨家湾大桥所处地理位置和气候条件及对大量实测数据的分析，将下午16：00时的温度场取以下3种温度工况（见图4～5）：温度工况一为桥墩受顺桥向日照，墩身外表面与内部温差为19℃；温度工况二为桥墩受横桥向日照，墩身外表面与内部温差为19℃；温度工况三为桥墩受斜桥向日照（与横桥向接近呈45°照射），墩身外表面与内部温差为14℃。

图4　太阳辐射示意图（单位：m）

图5　温度工况示意图（单位：℃）

2　有限元分析

根据文献［8］～［12］，在温度荷载作用下，大型超静定结构一般采用有限元法求得其数值解。为了求得温度应力分布情况，这里借助有限元软件MIDAS FEA建立该桥实体模型，分析桥墩日照温度场，分别考虑在不同温度工况下日照温差作用所引起的结构响应。

首先按图纸实际尺寸建立全桥和桥墩分析模型，采用映射方式将实体有限元模型划分为六面体网格，对局部分析网格作精细划分，单元长度设置为30 cm，并赋予对应的材料特性（见表2）；然后给模型添加约束，约束方式为承台底部采用固结。图6为全桥分析模型，图7为桥墩分析模型。

表2　不同材料热力学性能参数

图6　全桥分析模型

图7　桥墩分析模型

运用MIDAS FEA程序分析桥墩温度场，是通过将对流系数、环境温度及各侧温度函数赋给边界点的节点以添加温度荷载。由于外界环境温度随时间变化而不断变化，需定义一个热分析施工阶段，在FEA程序中添加多个时间步骤，并且设置每个时间步长为2 h，1 d分为12个时间步骤，定义两个热分析工况，先进行热传导分析，分析在各温度工况下桥墩的温度分布情况，然后进行热应力分析，得出应力分布情况。

3　计算结果分析

3.1日照温度作用下墩身温度

图8　温度工况一作用下墩身截面Ⅰ处温度云图（单位：℃）

图9　温度工况二作用下墩身截面Ⅰ处温度云图（单位：℃）

由于受到阳光直接照射，桥墩墩身向阳侧会在早上6：00后开始升温，桥墩内部温度基本不变，内外部的温差越来越大；随着时间的推移，桥墩墩身外表面的温度将在某一时刻达到峰值，此时内外部温差达到最大。图8和图9分别为在温度工况一、温度工况二作用下双肢薄壁墩B肢墩身截面Ⅰ处温度云图。

由图8和图9可看出：温度工况一和温度工况二作用下，桥墩墩身外表面与内部之间温差达到19℃，且温度沿壁厚方向的分布与实测数据非常吻合，实测数据与模拟数据最大相差不超过1℃。说明运用MIDAS FEA模拟日照温度场可行，能满足工程计算的精度要求。

3.2日照温度作用下墩身温度应力

图10～13为在温度工况一、温度工况二作用下桥墩截面Ⅰ处环向、竖向温度应力云图。

图10　温度工况一作用下墩身截面Ⅰ处环向应力云图（单位：MPa）

图11　温度工况一作用下墩身截面Ⅰ处竖向应力云图（单位：MPa）

对温度应力云图进行整理，提取桥墩截面Ⅰ处分别在温度工况一、温度工况二作用下的应力分布，汇总截面Ⅰ处A-A和B-B截面距外表面0.9 m范围内应力分布（见图14～15）。

图12　温度工况二作用下墩身截面Ⅰ处环向应力云图（单位：MPa）

图13　温度工况二作用下墩身截面Ⅰ处竖向应力云图（单位：MPa）

图14　温度工况一下桥墩向阳侧正应力沿壁厚的分布

由图14～15可看出：桥墩向阳侧外表面均受压。温度工况一作用下，在截面Ⅰ的向阳侧外表面处，环向、竖向正应力出现最大压应力；距外表面0.3 m段应力梯度较大，距外表面0.3 m处出现最大拉应力，距外表面0.3～1.5 m段全部受拉；距向阳侧外表面1.5 m到背阳侧外表面全部受压，应力有所增加。温度工况二作用下，在截面Ⅰ的向阳侧外表面处，环向、竖向正应力出现最大压应力；距外表面0.3 m段应力梯度较大，距外表面0.3 m处出现最大拉应力，距外表面0.3～8.7 m段全部受拉；距向阳侧外表面8.7 m到背阳侧外表面全部受压，应力有所增加（见表3）。

图15　温度工况二下桥墩向阳侧正应力沿壁厚的分布

表3　日照温差引起的墩顶、截面Ⅰ和墩底处最大应力及位置

由表3可知：环向应力在截面Ⅰ处距向阳侧外表面0.3 m处出现最大拉应力，为1.86 MPa；在墩底截面向阳侧外表面出现最大压应力，为-6.78 MPa。竖向应力在截面Ⅰ处距向阳侧外表面0.3 m处出现最大拉应力，为1.81 MPa；在墩底截面向阳侧外表面出现最大压应力，为-6.54 MPa。

3.3日照温度对桥墩变形的影响

日照温差作用下，桥墩墩身受阳面外壁板与内部之间存在较大温差，产生温度变形导致墩顶偏移，从而影响桥墩垂直度。计算结果表明：日照温差引起的双肢薄壁高墩结构的温差应力和变形都较大，且温差越大，变形越大，对施工控制不利。斜向日照时，由于有两面同时受到日照作用，桥墩还会产生一定的扭转变形。图16～18分别为各温度工况作用下桥墩的整体变形云图，表4为墩顶位移。

图16　温度工况一作用下桥墩顺桥向位移Dx（单位：mm）

图17　温度工况二作用下桥墩横桥向位移Dy（单位：mm）

从表4可看出：温度工况一，桥墩受到顺桥向日照温度作用时，由于B肢直接接受阳光照射，A肢被B肢完全挡住，B肢墩顶位移达到23 mm。温度工况二，桥墩受到横桥向日照温度作用时，A肢和B肢墩顶产生的横桥向位移相等。温度工况三，桥墩同时受到顺桥向、横桥向日照温度作用时，A肢和B肢墩顶平动变形与仅受单向日照温度作用时接近，且产生一定的扭转变形，达到1.528′。温度工况一中B肢墩顶顺桥向位移达到23 mm，大于规范容许值H/1 000（H为墩高）=20 mm，不满足规范要求，在施工中需采取必要措施。

图18　温度工况三作用下桥墩位移Dxyz（单位：mm）

表4　各温度工况作用下墩顶位移

4　结论

（1）通过对实测温度数据的分析，拟合出最大温度梯度曲线，回归分析得出桥址区双肢薄壁高墩在壁板厚度方向上的温度分布模式，横桥向沿壁厚方向温度函数为Ty=15e-8.54y，顺桥向沿壁厚方向温度函数为Tx=19e-10.42x。

（2）结合实测数据，运用有限元软件MIDAS FEA对双肢薄壁高墩温度场进行数值分析，模拟值与拟合值、实测值相差很小，数据吻合较好，证明运用MIDAS FEA拟合日照温度场和有限元分析双肢薄壁高墩温度场可行。

（3）建立实体有限元模型分析日照温差引起的温度效应，结果显示日照温差产生的应力较大，最大拉应力达1.86 MPa，这种温差应力与其他荷载的组合完全可能使砼开裂。

（4）在日照温差作用下，墩顶位移最大可达23 mm。对于薄壁高墩，日照温差引起的温度应力和变形不可忽视。

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从图3可看出：在14：00和16：00时刻，桥墩各侧壁板沿壁厚方向温度梯度较大。14：00时东北侧墩外壁与内部之间温差达到最值15℃，16：00时西南侧墩外壁与内部之间温差达到最值19℃。因此，将16：00时的温度场作为控制温度，研究墩身在日照温度作用下的应力与变形。日照对桥墩温度沿墩身外表面分布影响深度大致为0.9 m，但在距外表面0.6～0.9 m时变化不太明显，距外表面0～0.6 m时温差较大。

中图分类号：U443.22

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0147-07

基金项目：∗湖南交通科技创新项目（201452）

收稿日期：2016-01-19