本文是一篇建筑工程管理论文,笔者经过研究,得到以下结论:(1)采用一体化建模方法和热-辐射耦合的瞬态有限元热分析方法进行服役环境下钢箱梁悬索桥时变温度场的连续化分析,能很好地体现外部气象环境对桥梁温度的影响。对比温度计算值与实测值,二者趋势一致,数值大小吻合较好,验证了该温度场有限元热分析方法的有效性。
第一章 绪论
1.1 课题背景与意义
桥梁是重要的交通基础设施,对我国经济社会的建设发展以及人民生活水平的提高起着至关重要的作用。改革开放以来,我国桥梁建设事业迅猛发展,仅公路桥梁的数量从 2000 年的 24.06 万座增长到 2019 年的 87.83 万座,年均建造 3.36 万座桥梁[1]。目前我国现役和在建的桥梁在数量和规模上均居世界之首,但在役桥梁的运营和安全状态却并不乐观。一方面,桥梁结构的服役期间往往长达数十年甚至上百年,恶劣服役环境和超负荷运载使得桥梁结构病害频发,性能退化严重,安全性得不到保障。另一方面,桥梁老旧化问题日益严重,维护费用巨大,近 40%的现役公路桥梁服役超过 20 年,危桥总数超过了 10 万座,全国每年用于老旧桥梁的维护和改造费用超过 100 亿元。因此,开展服役环境下桥梁结构的健康监测研究,对桥梁运营状态进行监测、识别和评估,确保桥梁结构的运营安全,意义重大。
交通运营荷载和环境作用是导致桥梁性能退化的主要原因,其中温度是导致桥梁病害和长期性能退化的重要环境因素[2]。我国的九江长江大桥、漓江二桥、湖北光化大桥和惠通河大桥等混凝土桥梁,都因温度影响出现了严重裂损[3]。株六复线新响琴峡大桥受到温度作用出现破损、空鼓、掉块等病害[4]。充石线某预应力混凝土桥在施工阶段由于内部温差过大导致加劲梁出现裂缝。江阴大桥和润扬大桥在运营后不久,伸缩缝均因于温度变形而出现严重损伤[5,6]。在国外,德国的 Jagst 桥服役仅五年就出现严重的温度裂缝。比利时 Hasselt 桥钢箱梁焊接处由于温度骤降而发生脆性破坏,最终导致桥梁损毁[7]。新西兰 Auckland 高架预应力混凝土箱梁桥在服役十年后出现严重裂缝,研究发现环境温度和太阳辐射是引起桥梁裂缝的主要因素。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 桥梁温度病害
在桥梁长期服役过程中,车辆撞击、地震、火灾等短期因素均可能导致桥梁出现病害,而温度作为桥梁结构的长期作用,对于桥梁病害的产生和发展有不容忽视的影响[20]。箱型梁桥是一种典型截面桥梁形式,温度效应显著,温度引起的病害也较为严重。本节对于混凝土箱梁桥和钢箱梁桥的温度病害影响进行归纳与总结。
混凝土箱梁桥由于刚度大,自重大,广泛应用于中小跨度桥梁建设。混凝土由于受太阳辐射和环境温度等因素影响,内部温度分布发生变化而产生温度应力,当温度应力超过抗拉强度时,混凝土就会产生温度裂缝。混凝土箱梁桥的主梁顶板和腹板容易出现温度裂缝。箱梁顶板在日照辐射下,会产生较大的横向温差应力,导致顶板底部混凝土出现纵向裂缝;由于混凝土导热系数低,箱梁腹板内外表面温差较大,两侧腹板内外板面产生温度应力,使得腹板出现裂缝。另外,混凝土箱梁桥的桥台也容易出现温度引起的网状裂缝,通常分布在水位以上的墩身向阳面,主要由混凝土内部水化热、太阳辐射和气温日变化而产生温度拉应力引起的。钢箱梁常用于悬索桥和斜拉桥等大跨度桥梁建设,温度对大跨度钢箱梁桥的病害同样有较大影响。一方面,高温对钢箱梁腐蚀有加速作用。
钢梁腐蚀速度与温度、钢材成分、大气介质、应力状态、施工质量等有关,若钢箱梁桥处于高温环境下,其锈蚀速率将加快。另一方面,低温对钢箱梁脆性断裂有不利的影响。钢桥构件在静力或加载次数不多的动荷载作用下发生突然断裂,称为脆性断裂,特点为断裂前构件变形很小,裂缝开展速度很快。钢材的脆性断裂与其韧性有关。韧性不好的钢材,在低温或快速加载等不利的条件下,容易使钢材发生脆性断裂。
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第二章 钢箱梁悬索桥温度场有限元分析
2.1 引言
自然服役环境中的桥梁时刻与外部环境进行能量交换,受服役环境气象因素的影响,桥梁结构不同表面热量交换速率不同,使得桥梁结构的温度场具有很强的非线性和时变性。变化的温度和温差会导致桥梁结构的静力特性发生变化,出现与温度相关的结构响应和损伤,比如位移、应力、倾斜、支座反力、裂缝、疲劳损伤等等,进而影响桥梁的承载能力、使用性和耐久性,出现性能退化和安全性降低。研究桥梁温度效应,必须先确定桥梁的温度荷载,即各构件的温度场分布情况。现场结构温度监测可以直接获取桥梁的实际温度,但温度测点是有限的,通过有限测点预测桥梁结构整体温度分布的精度并不理想。基于有限元方法的桥梁温度计算,通过仿真分析桥梁与外部环境的连续热量交换过程,能够较精准地得到足尺桥梁时变的温度场。本章通过 ANSYS 有限元分析软件,建立某大跨度钢箱梁悬索桥的热分析模型,基于外部环境气象参数构建时变的热分析边界条件,采用耦合热对流和热辐射的有限元瞬态热分析方法,计算桥梁的时变温度场。
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2.2 工程概况
2.2.1 桥梁概况
本文以某大跨度钢箱梁悬索桥为研究对象,如图 2-1 所示。该桥为两塔三跨钢箱梁悬索桥,建成于 1981 年,呈南-北走向,全长 2220 米,其中主跨跨径 1410 米,南岸边跨 530 米,北岸边跨 280 米。桥塔高 155.5 米,为钢筋混凝土空心双塔柱,塔柱间由混凝土横梁联系。主缆由平行的 14948 根直径 5 毫米的冷拔镀锌高强钢丝组成;吊索为钢绞线,共 236 根。主梁为加劲钢箱梁,宽 22 米,高 4.5 米。全桥钢箱梁由 124 节预制节段组成,每节段长 18.1 米。桥面铺有 41mm 厚的沥青砂铺装层。
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第三章 悬索桥温度响应及空间特性研究..............................30
3.1 引言............................30
3.2 温度所致结构响应有限元分析........................30
第四章 悬索桥性能退化过程中的温度效应分析...............................51
4.1 引言.........................51
4.2 钢箱梁悬索桥构件性能退化原因...........................51
第四章 悬索桥性能退化过程中的温度效应分析
4.1 引言
受恶劣的服役环境和繁重的交通运载作用,桥梁不断出现病害、损伤和材料老化,导致性能不断下降。在性能退化过程中,桥梁在外部环境和荷载作用下的力学响应也会出现改变。本章基于钢箱梁悬索桥有限元模型,通过对各构件设置不同程度的损伤对桥梁性能退化进行模拟,分析不同损伤情况下钢箱梁悬索桥温度效应,并与设计车荷载作用下的力学响应进行对比分析,探究桥梁性能退化过程中温度效应的变化规律,以及通过桥梁温度效应的时空变化特征,评估桥梁的性能状态,为桥梁病害控制、维护管理和运营安全提供技术支撑。
扁平的钢箱梁由于具备自重轻和气动性能良好等特点,广泛应用于大跨度悬索桥。钢箱梁病害类型主要有涂装劣化、钢材腐蚀、钢材裂缝以及疲劳损伤。钢箱梁通常会出现多种病害并发并耦合作用的情况,例如钢箱焊接处可能存在裂缝和应力集中,在车辆和温度等交变荷载作用下容易发生疲劳损伤;钢材腐蚀多发生于箱梁腹板和底板,通常随着涂装层的损伤而发生。
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结论与展望
以大跨度钢箱梁悬索桥为研究对象,开展温度效应的空间特性研究。首先,基于环境气候数据建立桥梁的时变热边界条件,通过 MATLAB 与 ANSYS 软件的实现服役环境下桥梁温度场的数值分析;其次,建立了大跨度钢箱梁悬索桥的温度敏感性三维有限元结构分析模型,对服役环境中足尺温度荷载作用下的桥梁结构响应进行分析;然后,基于数值分析进行钢箱梁悬索桥温度效应空间特性进行分析,并与设计车荷载作用下的桥梁结构响应进行对比,评估温度效应对桥梁性能的影响;最后,对悬索桥构造不同空间尺度和程度的损伤模拟其性能退化,分析悬索桥性能退化过程中温度效应的变化情况。本文主要得到以下结论:
(1)采用一体化建模方法和热-辐射耦合的瞬态有限元热分析方法进行服役环境下钢箱梁悬索桥时变温度场的连续化分析,能很好地体现外部气象环境对桥梁温度的影响。对比温度计算值与实测值,二者趋势一致,数值大小吻合较好,验证了该温度场有限元热分析方法的有效性。
(2)建立钢箱梁悬索桥三维有限元模型,进行时变温度荷载下的结构力学响应分析,并通过提取悬索桥受力构件温度响应的主要力学参数进行分析并于实测数据进行对比。温度作用下的桥梁跨中位移和桥面横向倾斜量的计算值与实测值趋势一致,数值大小吻合较好;竖向位移与环境温度呈负相关性,钢箱梁横向温差是导致桥面倾斜的主要原因之一,梁端纵向位移主要受钢箱梁有效温度控制。
(3)基于数值计算,分析钢箱梁悬索桥温度效应的空间特性。钢箱梁温度应力沿桥梁跨度方向变化明显,越接近跨中位置,钢箱梁温度应力越大,温度应力最大日变化高达 36.3MPa。主缆温度应力的日变化量与主缆的倾斜度相关,倾斜度越大的主缆其日温度应力变化幅值越大。吊索温度应力受其长度、倾斜情况和边界约束均相关,跨中位置吊索的日温度应力变化幅值最大。
参考文献(略)