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空心薄壁高墩山区日照温度效应研究

更新时间:2009-03-28

处于自然环境下的空心薄壁高墩结构,由于外界环境的瞬变性及混凝土结构自身导热性能差的特点,导致在空心薄壁墩截面产生较大的温差[1,2],当温差产生的结构变形受到约束时,温差应力就产生了,即温度效应。先确定在空间和时间上分布的温度场,才能确定桥墩截面的温度效应。

已有学者对空心薄壁墩日照温度效应及温度场做了大量研究[3]。SFiras Al-Mahmoud[4]对寒流作用下钢管混凝土高墩的温度分布进行了分析;王斌[5]对特大桥超宽薄壁空心墩的温度效应做了研究;李林等[6]对兰渝线上多线铁路超宽圆端形薄壁空心桥墩温度效应进行了分析;黄耀[7]对斜交高墩的受力性能以及温度效应的参数分析做了研究;顾萍等[8]针对体外预应力钢-混结合梁桥温度效应进行了分析;张运波等[9]分析了截面形状对双肢薄壁墩的温度场的影响等等。

但温度效应问题具有地域性,不同地区的太阳辐射强度、气温日、年温差差异较大,导致不同地区的空心薄壁墩截面的温度场分布及温度效应差异较大,现在空心薄壁高墩桥梁已在我国山区尤其是在西南山区得到了广泛应用,而目前针对我国西南山区空心薄壁高墩的温度场研究还较少[1],因此,对西南山区空心薄壁高墩的温度场和温度效应进行分析研究,具有重大的理论和实践意义。基于以上考虑,本文以西南山区某大桥的空心薄壁高墩为研究对象,基于实测日照温差数据,对空心薄壁高墩日照温差作用下的温度场和温度效应进行了研究。

GPS又被称之为全球定位系统,可借助卫星无线电导航定位技术,对地面信号进行收集与分析。随着地球数字化进程的不断加快,GPS也被广泛应用在工程测绘中,大大提升了原有测绘工作精准性,为工程设计方案的进一步优化提供了重要理论依据。

随着新型建造方式的大力推进,辐射顶板应用于装配式建筑中不仅可以满足人们对室内环境的舒适性要求,还大大提高了能源效率,有效地降低建筑能耗.然而,辐射板表面易凝结的缺点阻碍辐射空调在炎热和潮湿地区的发展.一方面,为避免结露,辐射板的表面温度受到室内露点温度的限制,辐射板的最低温度应高于空气露点温度.另一方面,为避免结露,需提高冷冻水的水温和降低送风温度,既降低了辐射板的供冷能力又增加了系统的能耗[1].

1 工程概况

贵州驾荔高速一预应力连续梁桥,跨径为(3×40+3×40+3×40)m,上部结构为预应力T梁(后张),先简支后连续,下部结构桥台为U台,墩台为桩基础。其中第5#墩为最高墩,高75.758 m,位于山区风带,采用矩形空心薄壁墩。5#墩身顺桥向、横桥向截面尺寸分别为300 cm、600 cm,壁厚55 cm,上段和下端各有1 m的实心部分,其余均为空心薄壁等截面,横隔板间距18.15 m,板厚0.5 m,桥墩顺桥向北偏东40°。其一般构造图见图1。相邻的4#、6#墩采用矩形实心墩。

  

图1 桥墩一般构造图(立面)(单位:cm)

2 测点布置

依据表1对各壁板最大的温差时刻沿壁板厚度方向的温差取自然对数,得到如表2所示各壁板的最大温差分布。

  

图2 竖向1/4截面测点布置图

墩身1/2高度截面的每一侧均布置6个测点,共计24个测点,测点布置位置沿每一侧中轴线依次为紧贴外壁处(G-01)、距外壁0.05 m(G-02)、距外壁0.1 m(G-03)、距外壁0.2 m(G-04)、距外壁0.4 m(G-05)及紧贴内壁处(G-06),测试仪器采用基康仪器(北京)提供的埋入式温度计(BGK-3700-0.2),采集仪器采用基康仪器(北京)提供的BGK-MICRO-40型自动化数据采集仪,配套的BGKLogger软件系统基于WINDOWS7工作平台,可快捷地对测量数据进行读取、保存及处理。

3 温度场实测结果

温度场测试结果结构设计的控制荷载为以最不利温度分布,混凝土桥墩的最不利正温差分布出现在夏季。温度计自2014年5月安装后,采集了2个多月的现场温测数据,限于篇幅,仅选取7月某一晴朗天气(7月20日)当天实测温度进行分析,实测温度数据如图3所示。

由图3可看出桥墩温度场以下分布规律:

1)4个侧面壁板各测点温度随时间的变化趋势基本一致,各测点温度随着太阳辐射强度的增大而出现较大差别。日出之后,测点距外表面越近,则升温幅度越大,各测点温度达当天最大值时间则随测点距外表面深度的增大而依次延后。

2)受到日照辐射影响,同一时刻外测点温度变幅,明显高于其余测点温度变幅,越靠近内侧壁,测点变幅越小。各侧壁板的G-05和G-06测点温度随时间变化曲线近似水平,测点温度变幅均小于2 ℃,说明日照温度作用对混凝土的影响深度约为40 cm左右。

  

图3 各侧壁板内部测点温度变化

3)各侧壁板方位角不同,受日照辐射强度和时长也不同。因此,各壁板外测点日极值出现时刻也具有差别,荔波侧位于东北,12点之前,测点升温主要受太阳辐射影响,正午后随着大气温度的继续上升,于15时达到温度峰值36.2 ℃,此时其内外壁测点温差达9 ℃。驾欧侧位于西南,12点之前,测点升温主要受大气温度影响,正午后主要受太阳辐射影响于17时达到温度峰值37 ℃,此时其内外壁测点温差达9.7 ℃。由于桥墩顺桥向北偏东40°,偏东侧和偏西侧由于遮挡,太阳直射时间较短,分别于下午14时和16时左右达到最高温度35.5、36.5 ℃,此时其内外壁测点温差分别为7.3、8.3 ℃。日落后,外壁温度呈急剧下降趋势,但内部测点温度变化趋势则较为缓慢,日出前,桥墩混凝土温度会出现内高外低的现象。

4 空心薄壁墩沿壁板厚度方向的温度场分布

目前在混凝土空心结构温度场的研究中,具有能够满足工程精度要求、便于处理、温度分布函数简明等特点的半理论半经验公式方法得到了广泛应用。该方法以指数形式表示混凝土空心结构的温度分布[10]

现代社会中,纠纷解决的手段是多种多样的,各种手段都有其优势,但也存在一定的局限,只有根据具体情况选择最适合的纠纷解决手段,同时加强各种手段之间的衔接与配合,才能实现纠纷解决的最佳效果。为此,中共十八届四中全会决定中,明确提出要“完善调解、仲裁、行政裁决、行政复议、诉讼等有机衔接、相互协调的多元化纠纷解决机制;完善人民调解、行政调解、司法调解联动工作体系”。

Tx=T0e-ax

从上式可看出,若能确定壁板内外温度之差T0和指数a,就能求解出与计算点距离xTx。可以通过现场测试确定出温差T0,也可根据太阳辐射理论计算,指数a值因与材料性质(混凝土热工参数的取值)和日照升温过程有密切关系,对于不同地点不同材料及不同时间的混凝土空心薄壁高墩实测得到的a值会有所不同,目前指数a值的确定主要是通过现场测试数据拟合得到。为得出所研究区域空心薄壁墩沿壁板厚度方向的温度分布模式,现利用MATLAB软件,根据最小二乘法原理,在实测温度数据的基础上通过数据拟合的方法来确定a值。

式中:Tx为计算点温度与内侧面温度之差,℃;T0为内部温度与外壁温度之差,℃;x为计算点至墩外壁的距离,ma为指数。

中美贸易战背景下知识产权异质均衡保护研究.........................................................................王守文 宋林洁 11.82

在日照温度场实测数据中,选取温差较大的进行对比,限于篇幅,现仅列出顺桥向荔波侧和驾欧侧壁板在100、100、100及100时刻各测点实测温度变化趋势如图4、图5所示。

fairnessi=α0+α1pensioni+α2medicali+α3c-pensioni+α4c-medicali+

  

图4 荔波侧温度沿壁厚的分布

  

图5 驾欧侧温度沿壁厚的分布

从图15、图16可知,桥墩截面产生的最大顺桥向(驾欧至荔波方向)拉应力为1.05 MPa,最大顺桥向压应力为-1.28 MPa;最大横桥向(偏东至偏西侧)拉应力为1.17 MPa,最大横桥向压应力为-1.33 MPa。在各温度场工况下,桥墩截面等效应力值的范围为0~1.5 MPa。依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2012中规定,C40混凝土的抗拉强度设计值为1.65 MPa,抗压强度设计值为18.4 MPa,说明在当天最不利温度场工况下,5号墩所产生的温度应力均满足规范要求。但也应该看到,因日照温差效应引起的桥墩截面温度应力仍然比较大,是不可忽略的。较大的温度拉应力容易引起桥墩结构的开裂。同时,分析各工况下的桥墩温度应力分布可知,日照温差越大,则引起的桥墩截面拉应力越大。

  

表1 各侧壁板沿壁厚方向控制时刻温度时刻位置温度/℃G-01G-02G-03G-04G-05G-06温差/℃14:00偏东侧3532.830.428.627.427.27.815:00荔波侧36.232.630.428.527.627.58.716:00偏西侧36.533.731.829.628.227.88.717:00驾欧侧3633.130.929.028.1288

Tx=T0e-ax两边取自然对数,得:

InTx=InT0-ax

为适应外销贸易的需要,广彩匠人的早期产品为来样加工。逐渐主动转变为体现西方审美情趣的风格。广彩广泛借鉴西方绘画风格,从油画、版画、素描等绘画方式中学习借鉴,汲取宗教故事,寓言故事等灵感。同时,在欧洲的上流社会,定制自己家族的徽章纹瓷成为一种时尚,广彩制作了大量的印章纹瓷器。

比较两组治疗效果和安全性。显效:治疗之后患者先前存在的呼吸不畅、哮喘以及肺部感染等症状明显消失,呼吸、心率、血氧饱和度以及氧分压和二氧化碳分压指标恢复正常;有效:治疗后患者的呼吸不畅、哮喘和肺部感染等症状有所改善,呼吸、心率、血氧饱和度以及氧分压和二氧化碳分压指标都出现明显好转;无效:上述指标再去治疗之后没有出现好转或者加重;总有效率=显效率+有效率[5]。

令InTx=T,InT0=A,得:

T=A-ax

根据最小二乘法,拟合值和实测值误差的平方和最小时,Aa即为所求。

空心薄壁高墩为狭长结构物,在日照辐射作用下,温度沿墩身高度方向变化很小,因此仅在5号空心薄壁高墩1/2高度(37.5 m)截面处布置测点,测点布置如图2所示。

根据程序(MATLAB),各个时刻的温度梯度模式结果为:偏东侧100时,Tx=8.3e-9.33x;荔波侧100时,Tx=8.7e-9.73x;偏西侧100时,Tx=8.7e-10.18x;驾欧侧100时,Tx=8e-9.86x

  

表2 桥墩各侧面最大温差时刻沿壁厚方向的温差自然对数测点偏东侧14:00荔波侧15:00偏西侧16:00驾欧侧17:00G-012.0541242.1633232.1633232.079442G-021.7227671.6292411.7749521.629241G-031.1631511.0647111.3862941.064711G-040.336472-0.004670.587787-0.00467G-05-1.60944-2.30259-0.91629-2.30259G-06————

(3)工匠精神与高校党建思政研究工作融合的发展方向是改革创新、与时俱进。理论创新的基础上是中国经济社会改革和发展中的特色、亮点和成果。反之,理论创新又不断推动社会改革的深化和发展。理论研究是为了发现未知、探索未来,必须坚持解放思想,开展创新性研究,体现理论的探索性和创新性。在党建和思想政治理论研究中,要大力弘扬求真务实精神,树立强烈的问题意识和创新意识,不断研究新问题、探索新情况、总结新经验、进行新概括,积极回答高校附属医院工作实践中迫切需要解决的重大问题,不断丰富和完善党建理论。

摘 要:早期的科学教育,对于学生科学素养的形成具有不可替代的作用。而科学探究活动中最常用的办法就是实验,实验教学在小学教育中有着举足轻重的作用。因此,实验操作的规范、严谨和准确性,既有助于学生获取新知,又培养了学生正确的科学观和相应的实验技能。科学的实验教学,对教师提出了更高的要求。

5 温度场有限元分析

5.1 建立有限元模型

采用有限元软件ANSYS对空心薄壁高墩进行温度场分析。该桥5号空心薄壁高墩横截面的折线和折角较多,为提高计算精度,有限元模型的网格划分采用四边形单元PLANE55,网格划分尺寸为0.05 m。墩身混凝土的密度ρ为2 600 kg/m3,比热c为930 J /(kg·℃),热传导系数λ为2.35 W/(m·℃)。有限元模型按墩身横截面实际尺寸建立,如图6所示。

  

图6 墩身横截面有限元模型

5.2 施加温度荷载和约束条件

太阳辐射、辐射换热和对流换热,是桥墩与外界环境热交换的主要方式。辐射换热对结构温度场分布的影响很小,相比对流换热和太阳辐射可忽略。因此在本文中,只对温度效应进行对流热换和太阳辐射两个方面的分析。即施加在桥墩有限元模型边界节点上的最终热荷载为外界综合气温和综合换热系数[3]

3)在当天最不利温度场工况下,桥墩截面的最大拉应力值为1.17 MPa,表明在桥墩设计中日照温度应力是不可忽略的因素。

Tsa=Tα+atI/h

式中:Tsa为综合气温,℃;Tα为外界气温,℃,取桥墩实测温度;at为吸收率,一般取0.65;I为太阳辐射强度,W/m2,见《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019-2003;h为综合热交换系数,W/(m2·℃),等于对流热交换系数hc与热辐射交换系数hr之和。

综合热交换系数按对流换热系数hc计取,计算式为:hc=5.6+4.0v,其中v为风速。

在对该桥5号空心薄壁墩横截面温度场进行分析时,外界温度、太阳辐射强度等因素都是随时更新的,所以选用瞬态温度场对桥墩结构进行分析。

5.3 计算结果分析

为对5号空心薄壁高墩横截面沿壁厚方向的温度场进行分析,现依次选取桥墩各侧壁板在温度日极值时刻的实测温度作为施加的温度荷载工况,据7月20日实测数据,选取当日100(偏东侧日极值时刻)、100(荔波侧日极值时刻)、100(偏西侧日极值时刻)和100(驾欧侧日极值时刻)共4个时刻时实测温度作为温度荷载工况,见表3所示,取外壁测点温度为该侧外界气温。

  

表3 4个温度工况下各侧壁板外侧温度工况时刻温度/℃荔波侧驾欧侧偏东侧偏西侧工况114:0035313532工况215:0036.2333434工况316:0034353336.5工况417:0031363135.6

将以上温度工况依次施加在有限元模型上,得到各工况下空心薄壁墩横截面的温度场分布如图7至图10所示。

  

图7 工况1(100)时墩截面温度场分布

  

图8 工况2(100)时墩截面温度场分布

  

图9 工况3(100)时墩截面温度场分布

  

图10 工况4(100)时墩截面温度场分布

依据图7至图10的有限元计算结果,将大桥5号空心薄壁高墩各壁板在日极值时各测点温度的实测值、拟合公式计算值(拟合值)和ANSYS有限元计算值(理论值)进行对比,结果如图11至图14所示。

泄漏1 000 d后,上覆第四系松散孔隙含水层氟化物污染羽状物继续向南侧扩散迁移,但迁移距离仍然较短,而下伏岩溶含水层仍然未发现污染物分布。

  

图11 偏东侧壁板100时数据对比

  

图12 荔波侧壁板100时数据对比

  

图13 偏西侧壁板100时数据对比

  

图14 驾欧侧壁板100时数据对比

从图11~图14中可以看出,5号空心薄壁高墩沿壁厚方向的温度场分布与实测数据及拟合公式所得数据分布规律基本一致,各侧壁板的ANSYS有限元计算值与现场实测值非常接近,二者最大差值仅为0.7 ℃,说明根据空心薄壁墩的实测温度数据,采用ANSYS有限元方法对其温度场进行数值模拟分析是正确可行的。

6 空心薄壁高墩的温度效应

根据热瞬态分析仿真出的最不利温度场,采用有限元软件ANSYS通过热-应力耦合法对5号空心薄壁高墩进行温度应力模拟。可实现结构单元PLANE42与热单元PLANE55之间的相互转换。通过模拟计算可得空心薄壁墩横截面温度应力云图,为简约篇幅,现仅列出导致桥墩截面产生最大拉应力和最大压应力工况下的应力云图,对应的温度工况分别为工况2和工况4,见图15、图16。

由上图可知,日照温度场沿桥墩壁厚的分布曲线大致符合指数分布,与前人的研究成果相吻合,荔波侧在于100、驾欧侧于100时沿壁板厚度方向的温差达最大。设计计算中以最不利温度分布作为控制荷载,即选取壁板最大温差时刻作为控制时刻,5号墩各侧板沿壁厚方向控制时刻温度见表1所示。

可以看出,对高校部门决算数据应用于管理的措施认识比较一致,但区外高校强调全方位提供数据源,而区内高校则认为有针对性地提供数据更有成本优势和效果,这也是是否落实全员预算,全员执行原则的一个反映。

  

等效应力分布云图

 

图15 工况2温度场下桥墩截面应力分布云图

  

图16 工况4温度场下桥墩截面应力分布云图

7 结论

1)在壁板厚度方向上,可用如下温度梯度模式来表示空心薄壁高墩的通用温度分布:横桥向温度梯度Tx=8.7e-10.18x,纵桥向温度梯度Tx=8.7e-9.73x。该温度梯度模式不仅适用于本桥桥墩,也适用于类似于该地区的空心薄壁高墩。

2)采用有限元软件ANSYS对空心薄壁墩温度场进行了数值分析,有限元方法计算值与拟合公式数据分布规律基本一致,与实测值的最大差值仅为0.7 ℃,说明采用ANSYS有限元方法分析空心薄壁墩温度场是正确可行的。

综合气温可按下式计算:

为得到适合桥址地区空心薄壁高墩沿壁厚方向的温度梯度模式,对于温度差T0可根据观测值取最大温差,参数a选取最大温差侧拟合数据,故桥墩横桥向温度梯度Tx=8.7e-10.18x,桥梁纵桥向温度梯度Tx=8.7e-9.73x

参考文献:

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[4] S Firas Al-Mahmoud,Jean-Michel Mechling.Bond strength of different strengthening systems-concrete elements under freeze-thaw cycles and salt water immersion exposure[J].Construction and Building Materials,2014(70):399-409.

之后又来过几次郭村,在不同的季节里,每次都会对着山头张望,寻找那些古木,却再也没有寻见。这使我生出疑惑:第一次看见的是真实场景吗?还是我的记忆移花接木,将别处见到的移到这山上?

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[9] 张运波, 蔡亭亭.截面形状对双肢薄壁墩温度场的影响分析[J].铁道工程学报, 2015(3):41-45.

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艾冰
《湖南交通科技》 2018年第01期
《湖南交通科技》2018年第01期文献

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