基于ansys的連續(xù)梁橋溫度應力分析

基于ansys的連續(xù)梁橋溫度應力分析

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的表面和內(nèi)部溫度隨時都會發(fā)生變化。由于自然環(huán)境條件的變化，發(fā)生的溫度載荷一般分為年溫溫度載荷、日平均溫度負荷和冷潮溫度載荷。年溫變化在混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度效應分析起來最為簡單,而有關(guān)日照溫度荷載的相關(guān)研究雖然很復雜,但這種研究在工程界也是大量存在的,且取得了豐富的成果。相比較而言,寒潮溫度效應的相關(guān)分析卻是鮮見的,這也是本文所要研究的內(nèi)容。1寒潮降溫特性寒潮強度是影響箱梁寒潮應力的重要因素。中國氣象局規(guī)定,使得單站氣溫在24h內(nèi)下降10℃以上或者48h內(nèi)下降12℃以上,且最低日氣溫降至5℃以下的冷空氣入侵都可以稱為寒潮。為了全面掌握環(huán)境溫度陡降對混凝土箱梁橋的影響,可以適當放大寒潮強度的變化幅度,所謂放大寒潮強度的變化幅度也就是擴大氣溫的下降幅度Δθ和氣溫的下降歷時Δt的范圍。文獻用折線近似地表示寒潮期間氣溫的變化過程,并認為Δθ一般可取為24～72h內(nèi)溫度下降值,而且氣溫回升與下降的過程有著相同的變化速度。文獻沿用了這種寒潮氣溫變化模式,并認為寒潮降溫速率的最大值為10℃/24h。筆者認為根據(jù)單站氣溫的變化特征,用一段隨時間先遞減再遞增進而穩(wěn)定在初始溫度上的多階連續(xù)可導函數(shù)曲線來描寫寒潮降溫模式是簡單而恰當?shù)?這比上述折線模式更加符合實際情況。因此,本文構(gòu)造出2變化端導數(shù)為0的Hermite多項式銜接一段常數(shù)函數(shù)的分段函數(shù)來描寫寒潮來臨時箱梁周圍氣溫的變化情況。根據(jù)不同的Δθ與Δt的組合,可以繪制代表不同強度寒潮的降溫曲線。由Δθ的5、10、15、20℃4個取值與Δt的12、36、60、84h4個取值組合得來16種寒潮工況(為方便表述,本文對寒潮工況的編號格式為“Δθ-Δt”,例如工況5-12代表降溫時間持續(xù)12h,降溫幅度為5℃的寒潮)。顯然,氣溫在12h內(nèi)下降20℃的寒潮是不可能出現(xiàn)的氣候現(xiàn)象,而氣溫在84h內(nèi)下降5℃的已經(jīng)不具備寒潮特征,不過這2種降溫天氣過程可以代表寒潮強度的最強或最弱的極端情況,依據(jù)有關(guān)文獻的實測與分析結(jié)果,本文認為介于這兩者之間的各種氣溫下降及回升過程基本能夠涵蓋我國疆域內(nèi)各種強度寒潮的溫時關(guān)系。2總集參數(shù)法熱傳導微分方程混凝土箱梁橋在寒潮作用下會產(chǎn)生一個較快的降溫過程,有一類傳熱學問題可以與這個過程相對應:設有一任意形狀的固體,其體積為V,表面積為As,并具有均勻的初始溫度θo,在初始時刻,突然將它置于溫度恒為θ的流體中(即陡然降溫),試求物體溫度隨時間的依變關(guān)系。有學者在求解這類導熱問題時提出了“總集參數(shù)法”,該方法假設上述物體的導熱系數(shù)相當大、幾何尺寸很小或者表面換熱系數(shù)極低?；谶@樣的假設,總集參數(shù)法認為物體內(nèi)部的熱阻可以忽略不計,溫度與空間坐標無關(guān),所以如式(1)所示的完整的熱傳導微分方程可以簡化為式(2)。ρc?θ?t=??x(λ?θ?x)+??y(λ?θ?y)+??z(λ?θ?z)+Φ(1)dθdt=Φρc(2)ρc?θ?t=??x(λ?θ?x)+??y(λ?θ?y)+??z(λ?θ?z)+Φ(1)dθdt=Φρc(2)式中:λ、ρ、c、Φ各為材料的導熱系數(shù)、密度、比熱容、單位時間內(nèi)單位體積中的內(nèi)熱源生成熱及時間。對于寒潮作用下的混凝土箱梁而言,材料的密度ρ和比熱容c可視為常數(shù),所以溫度的衰減可進一步地被確認為與對流換熱系數(shù)hc以及表面積與體積之比As/V有關(guān)。表面積與體積之比的倒數(shù)是物體的體表比V/As,有著長度的量綱,在傳熱學里被稱為物體的特征長度lc。對于等截面箱梁而言,特征長度在寒潮效應分析中等于截面面積與截面外周長之比。3最大寒潮重測系統(tǒng)的確定寒潮來襲時一般都伴有大風天氣,而風速的大小決定了箱梁外表面的對流換熱效率。文獻對上海地區(qū)1976～2005年的歷次寒潮時日風速進行了χ2擬合度檢驗,發(fā)現(xiàn)寒潮時日最大風速滿足P-III型概率分布,并進行了重現(xiàn)期為30、50和100年的最大寒潮時日風速計算,分別得到11.1、11.7和12.5m/s的計算結(jié)果。結(jié)合文獻根據(jù)風速對對流換熱系數(shù)hc的計算,寒潮時箱梁外表面的對流傳熱系數(shù)hc取40～45W/(m2·℃)是比較合適的,在后續(xù)的寒潮應力分析中,將這個范圍擴大到30～50W/(m2·℃),以考慮更大疆域內(nèi)的氣候情形。4寒潮對箱梁的影響假設箱梁在寒潮來襲的初始時刻具有均勻的溫度場,且將此均勻溫度設定為式(1)中的θs。計算箱梁寒潮溫度應力時,也以θs為參考溫度(即認為箱梁在分析的初始時刻既無應力也無應變)。這樣假設的目的是使得各種寒潮工況下的溫度應力在統(tǒng)一的基準上具有可比性。θs可取為任意溫度值(取為20℃)。采用ANSYS的熱-結(jié)構(gòu)耦合計算功能對圖1、圖2所示3跨等截面連續(xù)箱梁橋的1/4實體有限元模型進行了在前述16種寒潮工況下的溫度場和溫度應力計算,時間步長取為1h,分析時段總長192h。材料屬性設定為:導熱系數(shù)為2.85W/(m2·℃)、密度為2500kg/m3、比熱容為912J/(kg·℃),彈性模量為32.5GPa,泊松比與熱膨脹系數(shù)分別為0.166和1.0×10-5℃-1。箱梁內(nèi)部的空氣溫度仍設為常數(shù)(20℃),空氣流速為0m/s。箱梁外表面的對流傳熱系數(shù)hc取30～50W/(m2·℃)這個變化范圍的中間值,即40W/(m2·℃)。對各種寒潮工況下的溫度應力計算結(jié)果進行分析后可以發(fā)現(xiàn),寒潮對箱梁溫度場的影響從總體上看是由表及里的,而不像太陽輻射對箱梁溫度場的影響那樣從整體上看是自上而下的。圖3顯示了寒潮工況20-12(最強寒潮)作用下箱梁中心線頂、緣在各時刻沿順橋向的正應力分布(圖中只顯示半橋長值)。圖4、圖5顯示了工況10-36的寒潮作用下箱梁在寒潮來臨后的第28h的溫度場和順橋向正應力的分布云圖。以下具體分析寒潮強度、對流換熱系數(shù)、箱梁截面的特征長度對箱梁寒潮應力的影響及其規(guī)律:(1)寒潮強度對寒潮應力的影響。以中跨跨中截面頂緣中點為關(guān)注點,由該點的順橋向正應力計算值在各種強度寒潮工況下的時程變化可以看到:在降溫時間Δt一定的情況下,被關(guān)注點的順橋向正應力在各時刻的計算值與工況所對應的降溫幅度Δθ成正比,例如被關(guān)注點的順橋向正應力在工況5-12、10-12、15-12、20-12下,于任意時刻的計算值之比都是1∶2∶3∶4,構(gòu)成一種線性關(guān)系。在降溫幅度Δθ一定的情況下,被關(guān)注點的順橋向正應力計算值的最大值隨降溫時間Δt的增大而減小,但并不構(gòu)成線性關(guān)系,例如在工況20-12、20-36、20-60、20-84下(見圖6),被關(guān)注點的順橋向正應力計算值的最大值分別為1.63、1.02、0.79、0.68MPa。分析表明,在降溫幅度Δθ一定的情況下,被關(guān)注點的順橋向正應力計算值的最大值隨降溫時間Δt減小而加速增加。(2)對流換熱系數(shù)對寒潮應力的影響。將寒潮來襲時箱梁外表面的對流傳熱系數(shù)hc由40W/(m2·℃)分別改變?yōu)?0、35、45、50W/(m2·℃)再作各寒潮工況下的應力計算。仍然以中跨跨中截面頂緣中點為關(guān)注點來分析計算結(jié)果。計算結(jié)果表明,只要對流換熱系數(shù)一定,則被關(guān)注點的順橋向正應力在各時刻的計算值與工況所對應的降溫幅度Δθ成正比。而且在降溫幅度Δθ一定的情況下,被關(guān)注點的順橋向正應力計算值的最大值隨降溫時間Δt減小而加速增加的規(guī)律總是成立的。研究結(jié)果進一步表明,在寒潮強度一定的情況下,對流換熱系數(shù)越小則被關(guān)注點的寒潮應力越大,這意味著寒潮來臨時的風速越大則越有利于減少箱梁表面產(chǎn)生的寒潮應力。但是從研究結(jié)果還可以看到,對流換熱系數(shù)的取值雖然影響著寒潮應力的大小,但影響并不大,而且寒潮強度越小,對流換熱系數(shù)對寒潮應力的影響就越小。(3)箱梁截面特征長度對寒潮應力的影響。通過改變計算模型截面的尺寸(具體說來是改變圖1中截面的厚度參數(shù)t的取值,分別取為0.20、0.22、0.24、0.26、0.28m),得到截面特征長度lc分別為0.161、0.177、0.192、0.207、0.221m的計算模型,對流換熱系數(shù)取為40W/(m2·℃),對各模型作各寒潮工況下的應力計算,并仍然以中跨跨中截面頂緣中點為關(guān)注點來分析計算結(jié)果。計算結(jié)果表明,箱梁截面特征長度一定,則被關(guān)注點的順橋向正應力在各時刻的計算值與工況所對應的降溫幅度Δθ成正比。而且在降溫幅度Δθ一定的情況下,被關(guān)注點的順橋向正應力計算值的最大值隨降溫時間Δt減小而加速增加的規(guī)律也總是成立的。研究結(jié)果進一步表明,各種寒潮工況下被關(guān)注點的順橋向正應力的最大值對箱梁截面特征長度都是比較敏感的,這種敏感程度不隨寒潮強度的變化而顯著改變。5在箱梁中的寒潮(1)混凝土箱梁橋寒潮溫度效應與寒潮強度、對流換熱系數(shù)與箱梁的特征長度有關(guān),主要影響因素是箱梁寒潮強度和特征長度。壁厚