通風(fēng)孔影響下混凝土箱梁橋溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力研究結(jié)題摘要

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(cè)數(shù)據(jù)上對(duì)混凝土箱梁溫度場(chǎng)的深入研究。本研究旨在公路混凝土箱梁橋溫度場(chǎng)的實(shí)際觀測(cè)基礎(chǔ)上深入研究并完善混凝土箱梁溫度場(chǎng)的理論與計(jì)算方法。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下： 對(duì)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(cè)，根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)地研究了混凝土箱梁溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。測(cè)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(chǎng)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(duì)混凝土箱梁日最大豎向溫差進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，對(duì)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(guò)流固耦合方法建立空間有限元模型對(duì)不同氣象條件下混凝土箱梁橋的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了研究，得到了不同作用下溫度場(chǎng)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(chǎng)，由此引起的過(guò)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(chǎng)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?，研究日照輻射、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(chǎng)矢量與溫度場(chǎng)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(duì)流特性與箱梁瞬態(tài)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(duì)我國(guó)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(jiǎn)介

《嚴(yán)寒地區(qū)大體積混凝土溫度場(chǎng)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(chǎng)變化規(guī)律與保溫混凝土溫度場(chǎng)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(cè)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(chǎng)變化規(guī)律、混凝土熱學(xué)參數(shù)變化規(guī)律、氣溫對(duì)混凝土溫度場(chǎng)的影響、寒潮對(duì)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(chǎng)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(chǎng)和溫度效應(yīng)的研究對(duì)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(duì)組合橋梁的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(guò)溫度傳感器和應(yīng)變計(jì)測(cè)量了試件的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)變，并對(duì)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(chǎng)的三種不利溫度分布模式。 （2）建立了組合橋日照溫度場(chǎng)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(yáng)輻射和遮擋效應(yīng)的模擬通過(guò)UFLUX子程序二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)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(chǎng)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(duì)組合橋日照溫度場(chǎng)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(chǎng)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(guò)與精細(xì)日照溫度場(chǎng)數(shù)值模型的對(duì)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(chǎng)的兩種豎向溫度分布模式對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)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(guó)主要城市的50年一遇的溫度荷載數(shù)值，并繪制了我國(guó)組合橋的溫度荷載取值的區(qū)域分布圖。 （6）對(duì)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(duì)曲線組合梁橋針對(duì)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(yáng)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(duì)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(chǎng)具有自身的特點(diǎn)，采用基于混凝土橋梁溫度場(chǎng)理論的溫度荷載來(lái)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(cè)試等方法對(duì)鋼-混凝土組合橋的溫度場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)測(cè)試和溫度效應(yīng)試驗(yàn)，獲得的數(shù)據(jù)可對(duì)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。