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混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究

彭友松  
【摘要】: 混凝土桥梁结构在太阳辐射和气温变化等环境因素的影响下,引起非线性温度分布,从而产生温度应力和温度位移。温度应力的大小可与外荷载产生的应力相当,成为混凝土桥梁特别是混凝土箱梁裂损的重要原因之一。因此,混凝土桥梁的日照温度效应受到广泛重视。但是,由于问题的复杂性,现有的理论和计算方法还不够完善,在混凝土桥梁设计中,往往采用过分简化的计算模型和方法,导致温度荷载取值和温度应力计算出现较大的误差。本文对混凝土桥梁日照温度效应进行了深入的研究,对计算理论和方法进行了完善和改进,对日照温度荷载的取值进行了分析和探讨。 根据太阳物理学、普通天文学以及传热学的有关理论,研究了混凝土桥梁结构与外界环境进行热量传递的机理,系统地建立混凝土桥梁结构日照温度场分析的边界条件,建立了能够满足对任意复杂混凝土桥梁结构日照温度响应进行数值分析的计算模型。 对混凝土桥梁结构日照温度效应分析的有限元法及实际应用进行了研究,并以ANSYS为软件平台,编制和开发了对不同类型混凝土桥梁结构进行日照温度效应分析的程序模块。利用编制的有限元程序模块,着重对混凝土箱梁的日照温度场和温度应力进行了较为详细的计算分析和参数研究,研究了太阳辐射强度、风速、气温、地理位置、桥梁方位、结构形式和材料参数等因素对日照温度效应的影响。 混凝土桥梁日照温度场一般都是采用有限单元法和有限差分法等复杂的数值方法进行分析,往往需要大量的计算工作和时间,不便于实际应用。本文提出了箱形梁、空心墩等薄壁结构日照温度分布计算的解析方法。该方法假定温度分布是沿混凝土壁厚的一维周期性温度场,通过求解热传导方程,得到富利叶级数形式的温度分布解析解,该级数收敛很快,只需取少数几项即可得到足够精确的结果。 对混凝土桥梁结构三维温度应力的计算方法进行了研究。基于热弹性力学理论,推导出了温度应力的一个积分性质,并以此为基础提出了混凝土桥梁结构三维温度应力的一般计算方法,该方法将三维问题转化为二维问题进行分析,考虑了由于泊松效应引起的各应力分量间的耦合作用。着重对混凝土箱梁等薄壁结构的三维温度应力进行了研究,提出了实用计算方法,只需运用结构力学方法即可实现考虑应力分量之间耦合关系的三维温度应力空间分析,简便实用。通过计算实例,验证了所提出的三维温度应力计算方法的准确性,同时表明传统的温度应力计算方法存在较大的计算误差。 介绍了国内外桥梁规范有关温度荷载取值和温度效应计算的规定,并进行了总结、分析和比较;对我国现行铁路桥梁设计规范(TB 10002.3—2005)和公路桥梁设计规范(JTG D62—2004)的温度应力计算方法进行了探讨,对日照温度梯度荷载的取值和温度应力计算方法提出了看法和建议。根据典型气象台站的历史气象资料进行日照温度场分析和计算,通过概率统计分析,提出了我国不同地区的日照梯度温差建议值,以供混凝土桥梁设计参考。


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