通風(fēng)孔影響下混凝土箱梁橋溫度場與溫度應(yīng)力研究

混凝土箱梁的溫度作用效應(yīng)直接影響了公路混凝土箱梁橋的安全性。統(tǒng)計(jì)資料和研究表明，公路橋梁混凝土箱梁某些部位裂縫是由于溫度作用而產(chǎn)生的，其原因是缺乏在系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)上對混凝土箱梁溫度場的深入研究。本研究旨在公路混凝土箱梁橋溫度場的實(shí)際觀測基礎(chǔ)上深入研究并完善混凝土箱梁溫度場的理論與計(jì)算方法。主要研究內(nèi)容和成果如下： 對陜西，江蘇，江西等地域的大跨徑公路橋預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁進(jìn)行了的溫度與應(yīng)變連續(xù)觀測，根據(jù)觀測的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究了混凝土箱梁溫度場隨時(shí)間的變化規(guī)律。測試日照輻射、大氣降溫等不同氣象條件下，混凝土箱梁周圍風(fēng)速，輻射等環(huán)境變量作用下混凝土箱梁溫度場的變化規(guī)律。 采用系統(tǒng)聚類分析與非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法對混凝土箱梁日最大豎向溫差進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對于使用階段具有100mm瀝青鋪裝層的混凝土箱梁，最大正溫差在夏季服從于W(8.5360, 3.6658)的Weibull分布，在冬季服從W(3.9760, 2.5202)的Weibull分布。相應(yīng)溫差可以用weibull分布表示。 通過流固耦合方法建立空間有限元模型對不同氣象條件下混凝土箱梁橋的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了研究，得到了不同作用下溫度場與溫度應(yīng)力的計(jì)算模式。進(jìn)行了不同模式下應(yīng)力分析。結(jié)果顯示，采用保溫措施后，得到的箱梁混凝土應(yīng)力值會(huì)變小。 2100433B

暴露在自然環(huán)境中的混凝土箱梁橋存在非穩(wěn)態(tài)溫度場，由此引起的過大溫差會(huì)使混凝土箱梁開裂。本研究開展基于CFD理論的通風(fēng)孔影響下混凝土箱梁與空氣流固耦合傳熱特性研究，分析混凝土箱梁的溫度場與溫度應(yīng)力。.首先建立帶通風(fēng)孔的混凝土箱梁實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯咳照蛰椛?、大氣降溫等不同氣象條件下，混凝土箱梁內(nèi)外風(fēng)速、風(fēng)壓等流場矢量與溫度場的變化規(guī)律。其次基于CFD理論與有限體積法，建立帶通風(fēng)孔的混凝土箱梁與內(nèi)外空氣的流固耦合傳熱模型，確定不同氣象條件下箱梁內(nèi)外氣體的湍流模型，得到混凝土箱梁內(nèi)外氣體的自然對流特性與箱梁瞬態(tài)溫度場分布。然后改變通風(fēng)孔設(shè)計(jì)參數(shù)，研究箱梁與內(nèi)外空氣熱交換規(guī)律的改變。再利用有限元方法，分析混凝土箱梁在不同溫度場下的應(yīng)力響應(yīng)。最終提出以有效降低溫度應(yīng)力為指標(biāo)的通風(fēng)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。研究成果將豐富并創(chuàng)新混凝土箱梁橋裂縫控制與設(shè)計(jì)理論，對我國混凝土箱梁橋的裂縫控制工作具有重要的實(shí)用價(jià)值。

內(nèi)容簡介

《嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土溫度場變化規(guī)律研究與實(shí)踐》從理論和實(shí)踐兩方面系統(tǒng)地總結(jié)了嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土溫度場變化規(guī)律與保溫混凝土溫度場的計(jì)算方法及保溫防裂技術(shù)措施，結(jié)合工程實(shí)際監(jiān)測資料，遵循從實(shí)踐到理淪再到實(shí)踐的思路，系統(tǒng)研究了嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土溫度場變化規(guī)律、混凝土熱學(xué)參數(shù)變化規(guī)律、氣溫對混凝土溫度場的影響、寒潮對混凝土溫度的影響、越冬期間混凝土溫度降幅的估算、保溫材料選擇及實(shí)例，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性和實(shí)用性。

《嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土溫度場變化規(guī)律研究與實(shí)踐》可供從事大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及管理的技術(shù)人員使用，也可供有關(guān)院校師生及相關(guān)領(lǐng)域的科研人員參考。2100433B

鋼-混凝土組合橋梁溫度場和溫度效應(yīng)的研究對保證組合橋梁的安全性和耐久性具有重要意義。本項(xiàng)目對組合橋梁的溫度場和溫度效應(yīng)展開研究，重點(diǎn)開展了模型試驗(yàn)、數(shù)值模型開發(fā)、溫度荷載極值分析等工作，取得的主要研究成果如下： （1）設(shè)計(jì)一組組合箱梁橋節(jié)段的溫度場試驗(yàn)，分別在室內(nèi)采用烤燈輻射和在室外進(jìn)行日照輻射。通過溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)測量了試件的溫度場和溫度應(yīng)變，并對不同條件下的試件溫度分布進(jìn)行歸納總結(jié)。提出了組合橋日照溫度場的三種不利溫度分布模式。 （2）建立了組合橋日照溫度場精細(xì)分析的理論模型，并在通用有限元軟件ABAQUS平臺(tái)開發(fā)實(shí)現(xiàn)，其中太陽輻射和遮擋效應(yīng)的模擬通過UFLUX子程序二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。通過對溫度場試驗(yàn)和已有文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢核，驗(yàn)證了精細(xì)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。 （3）在平截面假定基礎(chǔ)上推導(dǎo)了橋梁截面二維溫度場的分解公式。以標(biāo)定后的精細(xì)數(shù)值模型為基礎(chǔ)進(jìn)行廣泛的參數(shù)分析，討論了季節(jié)、橋梁朝向、橋梁幾何尺寸、瀝青鋪裝層等對組合橋日照溫度場的影響，確定了組合橋梁最不利溫度效應(yīng)的參數(shù)組合。 （4）為提高計(jì)算效率，開發(fā)了組合橋日照溫度場的高效數(shù)值模型，并采用數(shù)值計(jì)算軟件Matlab編程實(shí)現(xiàn)。通過與精細(xì)日照溫度場數(shù)值模型的對比，驗(yàn)證了高效數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和效率。提出了組合橋日照溫度場的兩種豎向溫度分布模式對應(yīng)的簡化公式。 （5）引入極值理論，建立了由地區(qū)氣候統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算組合橋設(shè)計(jì)溫度荷載的計(jì)算框架。在此框架下，計(jì)算了我國主要城市的50年一遇的溫度荷載數(shù)值，并繪制了我國組合橋的溫度荷載取值的區(qū)域分布圖。 （6）對典型三跨連續(xù)組合直線梁橋和曲線梁橋的溫度效應(yīng)進(jìn)行了算例研究，并對曲線組合梁橋針對溫度效應(yīng)的支座布置方式進(jìn)行了優(yōu)化。 （7）在包括橋梁、隧道、建筑等多項(xiàng)工程中，直接應(yīng)用了項(xiàng)目所發(fā)展的溫度效應(yīng)計(jì)算理論和方法。 2100433B

太陽輻射、氣溫等環(huán)境因素的改變將在橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生顯著的溫度變化和不可忽略的溫度應(yīng)力，對橋梁設(shè)計(jì)的安全性和耐久性有重要影響。由于鋼和混凝土材料熱工參數(shù)的差異，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的溫度場具有自身的特點(diǎn)，采用基于混凝土橋梁溫度場理論的溫度荷載來計(jì)算組合橋的溫度響應(yīng)可能存在較大偏差。本項(xiàng)目計(jì)劃采用數(shù)值模擬、理論推導(dǎo)、模型試驗(yàn)和實(shí)橋測試等方法對鋼-混凝土組合橋的溫度場和溫度效應(yīng)進(jìn)行研究。首先，建立可反映組合橋梁特征的溫度場及結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值模擬平臺(tái)，得到橋梁的典型溫度分布模式。其次，分別在實(shí)驗(yàn)室條件和實(shí)際橋梁環(huán)境下進(jìn)行溫度場測試和溫度效應(yīng)試驗(yàn)，獲得的數(shù)據(jù)可對數(shù)值模型進(jìn)行標(biāo)定和檢驗(yàn)。最后，基于可靠度理論和不同區(qū)域的氣象特征提出可供設(shè)計(jì)使用的組合橋梁溫度荷載模型，分析多類組合橋的溫度響應(yīng)特征。本項(xiàng)目成果有助于更準(zhǔn)確合理認(rèn)識(shí)組合結(jié)構(gòu)橋梁的溫度分布模式和結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)理，并可供工程設(shè)計(jì)參考。