CN103726434B - 高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，该模型包括铺装层（1）、钢桥面板（2）、U肋（4）和横隔板（5）。在铺装层（1）和桥面板（2）之间设置界面热阻（3），用来反映粘结层-铺面复合结构中粘结层对温度传递的阻隔效应，通过试验-数值模拟混合的参数反分析法并结合数值优化技术获取最优界面热阻值。建立实桥数值模型，通过设置移动温度荷载（6）来模拟摊铺施工过程，计算分析钢箱梁桥道系的温度场分布情况。本发明主要依靠有限元模拟，可以很好地反映粘结层的隔热效应，能够较真实地模拟摊铺施工过程。同现场实测相比，简单易行，能够模拟不同工况，可以较精确地反映钢箱梁桥道系的温度场分布情况。
Description
技术领域
本发明涉及一种模型建立方法，特别涉及一种高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法。
背景技术
正交异性钢箱梁桥铺装层在摊铺时的温度较高，例如环氧沥青混凝土(EA)的摊铺温度一般要求110℃-130℃，而浇注式沥青混凝土(GA)的摊铺温度可高达200℃-240℃。如此高温再加上钢桥面板较大的导热系数及各向异性效应，必然会使钢桥面板结构在摊铺施工范围内受到高温作用而产生局部的温度变形，从而对铺装层埋下早期隐患。同时钢桥面板的温度变形和施工机具的耦合作用会对桥面结构粘结体系产生不利的影响，因此有必要对高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁结构温度分布情况进行研究。
以往对于桥梁结构温度场研究主要集中在太阳辐射、周围环境气温变化等环境因素作用下桥梁结构的温度分布。高温沥青混凝土摊铺会对桥梁结构会产生一个短期的温差梯度，其必然大于太阳辐射等环境因素导致的温差。高温摊铺时钢箱梁结构温度场十分复杂，在施工工程中，摊铺机具相当于一个移动热源，梁体不同截面的温度分布情况受摊铺先后顺序影响较大。对于高温摊铺作用下的温度场分析，仅仅在水泥混凝土桥梁结构中进行了一些研究，然而水泥混凝土结构的温度梯度变化与钢箱梁结构的温度场分布并不相符。
对于桥梁温度场的计算方法主要包括传统的解析方法、现场实测和有限元模拟。传统的解析方法在计算时假设太多，较难得到精确解。现场实测方法较为真实可靠，但是在埋设传感器时可能会引起铺装层结构隐患，且这种方法工作量大，仅能获得个别工作环境中的特例，不具备广泛性。有限单元法简单易行，可以模拟多种工况，且随着计算机水平的发展，其结果已能满足工程应用，因此有限单元法在复杂结构温度场计算中的应用越来越广。钢箱梁桥铺装体系在建立仿真模型时，由于粘结层太薄，为有限元单元的建立带来困难。然而粘结层对热传导的阻隔效应会为数值计算带来误差，不可忽略。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种高温摊铺作用下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，可以反映粘结层的阻热效应，同时可以模拟摊铺机作为移动热源对桥梁结构温度场分布的影响。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，包括以下步骤：
(10)设计钢箱梁桥局部缩尺模型，确定温度测点的选取和分布位置，模拟摊铺工况，获得所关心区域的温度变化情况；
(20)对缩尺模型进行有限元仿真，在钢桥面板和铺装层之间设置界面热值参数，用于反映粘结层-铺面复合结构中的粘结层对温度传递的阻隔效应；采用参数反分析法，选取具有代表性的界面热阻值代入模型中，计算分析温度分布情况，结合有限元数值计算的结果和步骤(10)中的实测温度场数据，采用数值优化技术反演出最优界面热阻参数；
(30)根据实桥建立有限元模型，代入步骤(20)中得到的最优界面热阻参数，通过设置移动温度荷载来模拟摊铺施工过程，计算分析温度场的温度分布规律；
(40)对步骤(30)所得的温度分布规律进行回归拟合，得到考虑施工过程的钢箱梁桥道系温度场分布公式。
(50)考虑施工季节、下料温度、铺面厚度这些敏感性因素对温度分布公式的影响，得到一个考虑不同敏感性因素的统一温度分布公式，定量地描述温度场变化特征。
其中，步骤(10)的模型试验包括以下步骤：
(101)定制包括U型加劲肋和横隔板的局部缩尺钢桥面板实体结构；
(102)在缩尺桥面板结构上涂布粘结料、摊铺混合料，成型钢桥面铺装复合结构实体试件；
(103)在摊铺过程完成后，采用测温仪器每隔1分钟对混合料与粘结层界面和钢板的温度进行测量，待温度稳定后，继续测温半个小时，5分钟进行一次测量。
步骤(20)采用参数反分析法并结合数值优化技术获得最优界面热阻参数，是基于最小二乘法思想，结合有限元数值计算的结果和步骤(10)的温度实测值，得到不同界面热阻下仿真温度与实际温差值的平方和，即误差平方和，拟合出热阻值和误差平方和的函数，当误差平方和最小时对应的界面热阻值就是最优界面热阻参数。
步骤(30)中采用有限元模拟实桥在高温摊铺下的温度分布情况，包括以下步骤：
(301)选取温度测点，包括摊铺中心位置、边缘位置，对于温度场单个截面共有9个测点，铺装层、钢桥面板和U肋中各3个点；
(302)通过现场调研获得初始温度场，仿真分析的初始温度场选取桥面板温度最高时刻的温度分布；根据气象资料确定太阳辐射、对流换热和辐射换热作为有限元模型的热力学边界条件；试验测定材料的导热系数、比热容；
(303)建立有限元模型，代入步骤(302)中所述的初始温度场、热力学边界条件以及数值计算所需要的材料参数，通过设置移动温度荷载来模拟钢桥面上实际摊铺施工过程，计算钢箱梁桥道系的温度场变化情况。
另外，步骤(40)中引入考虑施工过程的参数来体现各截面在纵向的变化情况，对步骤(30)的温度数据进行拟合，得到各截面沿着横向和竖向的温度分布公式，对沿纵向不同截面的温度分布公式进行数学拟合，确定考虑施工过程的参数的表达式，得到考虑施工过程的钢箱梁桥道系温度分布规律。
再者，步骤(50)中考虑不同敏感性因素对温度分布公式的影响，引入敏感性参数来修正温度分布公式，通过改变有限元模型的初始条件、结构参数，计算出不同敏感性因素变化时所对应参数的取值，得到一个考虑不同敏感性因素的统一温度分布公式。
为了获得考虑施工过程的纵向温度分布情况，通过设置移动温度荷载的方式来模拟摊铺过程，将沥青混凝土铺装层切割成若干条状单元集，单元集的宽度依据计算精度而定，然后设置温度载荷步，每个温度载荷步结束时，温度向前传递一段，模拟摊铺机作为移动热源向前传递温度，温度荷载的移动速度，可以通过设置每个温度载荷步的时间大小实现。
有益效果：本发明可以很好地反映粘结层的隔热效应，能够较真实地模拟摊铺施工过程，同现场实测相比，简单易行，能够模拟不同工况，可以较精确地反映钢箱梁桥道系的温度场分布。
附图说明
图1为高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型；
图2为局部缩尺钢桥面板实体结构示意图；
图3为复合结构实体模型试验有限元计算模型图；
图4为钢箱梁桥道系有限元模型图；
图5为局部网格示意图；
图6为有限元模型单个截面测点位置示意图。
具体实施方案
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
如图1所示，本实施例给出一种高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，该模型包括铺装层1、钢桥面板2、U肋4和横隔板5。在铺装层1和钢桥面板2之间设置界面热阻参数3，用来反映粘结层-铺面复合结构中粘结层对温度传递的阻隔效应。建立实桥数值模型，通过设置移动温度荷载6来模拟摊铺施工过程，计算分析钢箱梁桥道系的温度场分布情况。具体实施步骤如下：
第一步，定制如图2所示的包括4个U型加劲肋和1块横隔板的局部缩尺钢桥面板实体结构，结构的构造参数及几何尺寸如表1所示。
表1局部缩尺桥面板的构造参数及几何尺寸
| 项目 | 参数 | 项目 | 参数 |
| 横桥向尺寸 | 2.4m | U加劲肋钢板厚度 | 4mm |
| 纵桥向尺寸 | 3.2m | U开口宽度 | 300mm |
| 桥面钢板厚度 | 6mm | U肋高度 | 280mm |
| 横隔板厚度 | 6mm | 横隔板高度 | 1m |
在钢板上涂布0.68L/m2的环氧沥青粘结料，然后将制备好的220℃左右的浇注式沥青混合料浇入模型中，成型钢桥面铺装复合结构实体试件。摊铺完成后，采用测温仪器对测点的温度进行实时监测。
每隔1分钟测量钢板和混合料与粘结层界面的温度，待温度稳定后，继续测温半个小时，可以5分钟进行一次测量。
第二步，根据表1建立复合结构实体模型试验有限元计算模型，如图3所示。分别代入具有代表性的界面热阻值，如0.1、0.01、0.005、0.003、0.002、0.001等，计算分析不同界面热阻参数下测点温度的变化情况。
对比有限元数值计算的结果和缩尺模型试验的温度实测值，得到不同界面热阻下实测值与仿真计算温差值的平方和，即误差平方和。拟合得到热阻值与误差平方和的函数关系，当误差平方和最小时对应的界面热阻值就是最优界面热阻参数。
第三步，采用有限元法模拟实桥在高温沥青混凝土摊铺下的温度分布情况，本实施例选取泰州长江大桥进行研究，在建立模型之前要首先确定初始条件和边界条件以及获得计算所需的热力学参数。
初始温度场的获得需要通过现场调研获得，选取桥面板温度最高时刻的温度分布，作为仿真分析的初始温度场。对于太阳辐射、对流换热、辐射换热这些热力学边界条件，通过气象资料来确定，如表2所示。
表2边界条件参数
有限元模型计算所需的材料参数除了界面热阻参数，还有材料的导热系数、
比热容等热物性参数需要通过试验测定，如表3所示。
表3材料热工参数
| 材料 | 密度（kg/m3） | 导热系数（W/m﹒℃） | 比热容（J/kg·K） |
| 沥青混凝土 | 2500 | 1.3 | 920 |
| 钢 | 7850 | 58.2 | 460 |
| 环氧沥青粘结层 | - | 0.2 | - |
根据表4所示的尺寸参数建立有限元模型，如图4所示。所有数据均根据泰州长江大桥实桥选取。U肋、横隔板、腹板、底板等均通过三节点及四节点的壳单元D4R、D3R模拟，考虑到钢桥面板1及铺装2需要通过传热接触连接，故这两部分通过八节点的实体单元DC3D8模拟。此外，壳单元部分与实体单元部分通过Merge操作共节点并自动进行自由度耦合，如图5所示。
表4有限元计算模型尺寸参数
| 项目 | 桥面板厚度 | U肋间距 | U肋厚度 | 横隔板间距 | 横隔板厚度 |
| 参数 | 16mm | 0.68m | 6mm | 3.2m | 10mm |
第四步，为了获得整个钢箱梁结构的空间温度分布情况，需要选取温度测定进行实时监测，包括摊铺中心位置、边缘位置。对于温度场单个截面要选取9个测点，实时监测它们的温度变化规律，如图6所示，铺装层（P1、P2、P3）、钢桥面板（S1、S2、S3）和U肋（U1、U2、U3）各3个点。
将摊铺机看成是一个移动热源，通过设置移动温度荷载的方式来模拟摊铺过程。将沥青混凝土铺装层切割成若干条状单元集，单元集的宽度越小，计算结果越精确，主要依据计算精度而定。设置温度荷载步，每个温度荷载步结束时，温度向前传递一段，使沿梁体纵向的单元集先后达到摊铺时的初始温度，模拟摊铺施工过程。其中，温度向前传递速度主要依据摊铺机的速度来定，一般为1m/min，可以通过设置每个温度荷载步的时间大小来实现。
根据实时监测的温度数据，拟合出沿梁体纵向不同截面的横向和竖向温度分布公式，通过引入考虑施工过程的参数来体现各截面在纵向的变化情况，这些参数需要通过对不同截面的温度分布公式进行数学拟合来确定。确定了这些参数的表达式，就可以得到考虑施工过程的钢箱梁桥道系温度分布规律。
然后考虑不同初始温度场、不同的沥青混合料下料温度、不同铺面厚度对钢箱梁结构温度分布规律的影响，引入敏感性参数来修正温度分布公式，通过改变有限元模型的初始条件、结构参数，计算出不同敏感性因素变化时所对应参数的取值，得到一个考虑不同敏感性因素的统一温度分布公式。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
(10)进行模型试验，构造钢箱梁桥局部缩尺模型，选取温度测点和确定温度测点分布位置，模拟摊铺工况，获得所关心区域的温度变化情况；
(20)对所述缩尺模型进行有限元仿真，在钢桥面板和铺装层之间设置界面热阻参数，用于反映粘结层-铺面复合结构中的粘结层对温度传递的阻隔效应；采用参数反分析法，选取具有代表性的界面热阻值代入模型中，计算分析温度分布情况，结合有限元数值计算的结果和步骤(10)中的实测温度场数据，采用数值优化技术反演出最优界面热阻参数；
(30)根据实桥建立有限元模型，代入步骤(20)中得到的最优界面热阻参数，通过设置移动温度荷载来模拟摊铺施工过程，计算分析温度场的温度分布规律；
(40)对步骤(30)所得的温度分布规律进行回归拟合，得到考虑施工过程的钢箱梁桥道系温度场的温度分布公式；
(50)考虑施工季节、下料温度、铺面厚度这些敏感性因素对温度分布公式的影响，得到一个考虑不同敏感性因素的统一温度分布公式，定量地描述温度场变化特征。
2.根据权利要求1所述的高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，步骤(10)的模型试验包括以下步骤：
(101)定制包括U型加劲肋和横隔板的局部缩尺钢桥面板实体结构；
(102)在缩尺钢桥面板结构上涂布粘结料、摊铺混合料，成型钢桥面铺装复合结构实体试件；
(103)在摊铺过程完成后，采用测温仪器每隔1分钟对混合料与粘结层界面和钢板的温度进行测量，待温度稳定后，继续测温半个小时，5分钟进行一次测量。
3.根据权利要求1所述的高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，步骤(20)采用参数反分析法并结合数值优化技术获得最优界面热阻参数，是基于最小二乘法思想，结合有限元数值计算的结果和步骤(10)的温度实测值，得到不同界面热阻下仿真温度与实际温差值的平方和，即误差平方和，拟合出热阻值和误差平方和的函数，当误差平方和最小时对应的界面热阻值就是最优界面热阻参数。
4.根据权利要求1所述的高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，步骤(30)中采用有限元模拟实桥在高温摊铺下的温度分布情况，包括以下步骤：
(301)选取温度测点，包括摊铺中心位置、边缘位置，对于温度场单个截面共有9个测点，铺装层、钢桥面板和U肋中各3个点；
(302)通过现场调研获得初始温度场，仿真分析的初始温度场选取桥面板温度最高时刻的温度分布；根据气象资料确定太阳辐射、对流换热和辐射换热作为有限元模型的热力学边界条件；试验测定材料的导热系数、比热容；
(303)建立有限元模型，代入步骤(302)中所述的初始温度场、热力学边界条件以及数值计算所需要的材料参数，通过设置移动温度荷载来模拟钢桥面上实际摊铺施工过程，计算钢箱梁桥道系的温度场变化情况。
5.根据权利要求1所述的高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，步骤(40)通过引入考虑施工过程的参数来体现各截面在纵向的变化情况，对步骤(30)的温度数据进行拟合，得到各截面沿着横向和竖向的温度分布公式，对沿纵向不同截面的温度分布公式进行数学拟合，确定考虑施工过程的参数的表达式，得到考虑施工过程的钢箱梁桥道系温度分布规律。
6.根据权利要求1所述的高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，步骤(50)中考虑不同敏感性因素对温度分布公式的影响，引入敏感性参数来修正温度分布公式，通过改变有限元模型的初始条件、结构参数，计算出不同敏感性因素变化时所对应参数的取值，得到一个考虑不同敏感性因素的统一温度分布公式。
7.根据权利要求4所述的高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型的建立方法，其特征在于，摊铺顺序对同一时刻梁体纵向不同截面的温度分布产生较大的影响，采用有限元法对温度场进行计算分析时，需要考虑摊铺机作为移动热源对桥梁结构温度场分布的影响，通过设置移动温度荷载的方式来模拟摊铺过程，将沥青混凝土铺装层切割成若干条状单元集，单元集的宽度依据计算精度而定，然后设置温度载荷步，每个温度载荷步结束时，温度向前传递一段，模拟摊铺机作为移动热源向前传递温度，温度荷载的移动速度，通过设置每个温度载荷步的时间大小实现。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |