CN112163260B - 高墩大跨t构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法。该方法包括以下步骤：建立有限元计算温度场分布模型，将所述主梁、所述纵梁、所述跨梁和所述桥墩的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，设定边界约束；设置混凝土的材料参数；根据混凝土的材料参数，设定温度梯度模型及加载载荷；根据温度梯度模型及加载载荷，以对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；根据所述热力学平面单元的温度信息并依据对所述高墩大跨T构桥梁进行温度‑变形耦合分析，以计算应力和位移。该方法能有保证桥梁施工精准度高且施工质量好。

Description

高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程施工技术领域，更具体地说，本发明涉及高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法。

背景技术

随着我国新时代“西部大开发”和“交通强国”战略的推进，高速铁路网逐步由平原丘陵地区向复杂艰险山区拓展，至2025年，高速铁路通车里程将达到3.8万km，其中复杂艰险山区高速铁路约1.5万km，占比约39.5％。复杂艰险山区地形起伏大、交通不便、施工场地狭窄，且地质复杂、地震频发、危岩落石和泥石流广泛分布，加之高速铁路安全性、稳定性和平顺性要求高，给高速铁路桥梁设计带来了巨大的挑战。

高墩大跨T构桥梁由于墩梁固结，因此主墩和主梁的变形相互影响。同时，墩梁固结处是T形刚构桥梁主墩和主梁传力的关键节点，其施工质量控制是高墩大跨T构桥梁建造关键技术之一。除施工工艺外，高墩大跨T构桥施工阶段的混凝土的性能参数(实际弹性模量、收缩徐变等)、预应力实际张拉力和预应力损失、施工荷载等，均对高墩垂直度的控制、主梁悬臂施工节段合理施工工期控制、主梁合拢顺序和精准度控制等有重要影响，并直接影响到成桥受力状态。

但是，高墩大跨T构桥梁施工中，因为混凝土的导热性能较差，在太阳辐射、大气温度和风速等环境因素影响下，桥梁结构内部将产生非线性温度分布，从而产生明显的温度效应，进而引起应力和变形，对高墩大跨T构桥梁的质量影响比较大。故，高墩大跨T构桥梁温度场分布分析对桥梁施工精准度和施工质量影响较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种施工精准度高且施工质量好的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法。该高墩大跨T构桥梁包括主梁、纵梁、跨梁和桥墩，所述桥墩与主梁刚性连接，包括以下步骤：

1)定义有限元模型的温度单位；

2)定义主梁、纵梁、跨梁和桥墩的梁单元类型；

3)建立有限元计算温度场分布模型，将主梁、纵梁、跨梁和桥墩的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，设定边界约束；

4)定义混凝土的材料参数，包括弹性模量、容重、线膨胀系数、剪切模量以及泊松比；

5)根据混凝土的材料参数，设定温度梯度模型及加载载荷；

6)根据温度梯度模型及加载，以对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；

7)根据所述热力学平面单元的温度信息对所述高墩大跨T构桥梁进行温度-变形耦合分析，用以计算应力和位移。

在其中一个实施例中，在进行热力学仿真分析中，将所述T构桥梁的主梁部分模拟为空气流进行分析。

在其中一个实施例中，所述进行热力学仿真分析前，还包括：将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为相应的热流密度边界条件。

在其中一个实施例中，还包括对所述计算应力和位移的结果进行后处理，并绘制出相关曲线的步骤。

在其中一个实施例中，定义有限元模型的温度单位为摄氏度。

在其中一个实施例中，所述温度梯度模型采用正相关模型。

在其中一个实施例中，所述加载荷载包括恒载、预应力荷载、徐变和干缩、或温度荷载。

在其中一个实施例中，还包括根据所述计算应力和位移判断是否桥梁规范要求的步骤。

在其中一个实施例中，所述桥梁规范要求是在车辆横向摇摆力、离心力、风力和温度作用下的指标规范。

在其中一个实施例中，在主梁的若干个断面埋设应变计，当每个梁段混凝土浇筑完毕及预应力张拉完毕时进行监测。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通建立有限元计算温度场分布模型，将主梁、纵梁、跨梁和桥墩的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，设定边界约束，根据温度梯度模型及加载，以对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息，拟合得到石梁河大桥不同部位的实际温度场分布；在此基础上，考虑不同温度工况作用，结合高速铁路桥梁设计控制指标，采用数值分析方法分析不同施工阶段的温度效应，并根据施工现场实测混凝土性能参数、实测摩阻系数，研究混凝土收缩徐变、预应力损失等对高墩大跨桥梁的桥墩、主梁变形影响，提出精准施工控制措施，实现桥梁精准合拢。在全桥分析的基础上，根据圣维南原理，截取桥梁固结处的合理范围，建立局部精细空间有限元模型；根据实桥桥梁固结处混凝土配比和材料参数，模拟实际浇筑方案，进行桥梁固结处大体积混凝土水化热仿真分析，可以精准实施桥梁固结处混凝土浇筑。

而且根据热力学仿真分析得出的温度信息计算各热力学平面单元的温度信息，可以用于研究复杂温度场引起的混凝土梁变形特征，实现可反映复杂温度场特征的混凝土梁温度-变形耦合分析，充分考虑了复杂非线性温度场对梁结构变形的影响，实现对混凝土梁结构温度-变形的精细化耦合分析。该方法可准确考虑复杂温度荷载作用下桥梁结构的横向、竖向、纵向耦合变形及弯曲，并综合考虑外界相关因素的影响，能够有效提供施工精准度高且施工质量好的高墩大跨T构桥梁的施工方法。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是根据本发明采用高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

渝黔高速铁路设计时速为350km/h，为我国高速铁路网规划中的一条重要的战略要道。受沿线山区地形限制，全线桥隧长占线路总长比例高达94％。当线路跨越深切峡谷等特殊地段时，高墩大跨T构桥梁成为优选桥型。其中，石梁河特双线大桥主桥采用预应力混凝土T形刚构，跨度布置为(2×120)m，主墩高达114m，主梁为纵、横向预应力体系，悬臂浇筑施工，线间距5m，桥面铺设CRST I型双块式无碴轨道。为确保渝黔铁路石梁(2×120)m高墩大跨T形刚构桥梁施工和运营安全，有必要根据桥梁所在具体环境，结合现场实际施工情况，全面分析温度效应对混凝土质量和桥梁施工精准控制等因素，进行高速铁路高墩大跨T形刚构桥梁建造关键技术控制。

如图1所示，提供了一种高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法。该高墩大跨T构桥梁包括主梁、纵梁、跨梁和桥墩，该桥墩与主梁刚性连接，包括以下步骤：

S11：定义有限元模型的温度单位。

可选地，定义有限元模型的温度单位为摄氏度。

S12：定义主梁、纵梁、跨梁和桥墩的梁单元类型。

S13：建立有限元计算温度场分布模型，将主梁、纵梁、跨梁和桥墩的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，设定边界约束。

S14：定义混凝土的材料参数，包括弹性模量、容重、线膨胀系数、剪切模量以及泊松比。

S15：根据混凝土的材料参数，设定温度梯度模型及加载载荷。

可选地，该温度梯度模型采用正相关模型。

可选地，该加载荷载包括恒载、预应力荷载、徐变和干缩、或温度荷载。

S16：根据温度梯度模型及加载，以对该截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各该热力学平面单元的温度信息。

可选地，在进行热力学仿真分析中，将该T构桥梁的主梁部分模拟为空气流进行分析。

可选地，该进行热力学仿真分析前，还包括：将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为相应的热流密度边界条件。

S17：根据该热力学平面单元的温度信息对该高墩大跨T构桥梁进行温度-变形耦合分析，用以计算应力和位移。

具体地，温度-变形耦合分析可在ANSYS软件环境中予以实现，具体的温度-变形耦合分析包括可采用结构矩阵分析方法计算桥梁及无砟轨道结构的变形和应力等。其中，结构矩阵分析方法是电子计算机进入结构力学领域而产生的一种方法。它是以传统结构力学作为理论基础、以矩阵作为数学表达形式、以电子计算机作为计算手段,三位一体的方法。杆件结构矩阵分析的基本思路是首先将杆件结构离散为有限个单元(杆件),各单元彼此在结点处相连接,以结点位移为基本未知量,研究各单元杆端力与单元杆端位移的关系,此过程称单元分析。然后把各单元集合成原来的结构,这就要求各单元满足原结构的平衡条件,从而建立整个结构的刚度方程,此过程称整体分析，最后得到结点的位移值和各单元的应力。

可选地，还包括对该计算应力和位移的结果进行后处理，并绘制出相关曲线的步骤。

可选地，还包括根据该计算应力和位移判断是否桥梁规范要求的步骤。

可选地，该桥梁规范要求是在车辆横向摇摆力、离心力、风力和温度作用下的指标规范。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通建立有限元计算温度场分布模型，将主梁、纵梁、跨梁和桥墩的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，设定边界约束，根据温度梯度模型及加载，以对该截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各该热力学平面单元的温度信息，拟合得到石梁河大桥不同部位的实际温度场分布；在此基础上，考虑不同温度工况作用，结合高速铁路桥梁设计控制指标，采用数值分析方法分析不同施工阶段的温度效应，并根据施工现场实测混凝土性能参数、实测摩阻系数，研究混凝土收缩徐变、预应力损失等对高墩大跨桥梁的桥墩、主梁变形影响，提出精准施工控制措施，实现桥梁精准合拢。在全桥分析的基础上，根据圣维南原理，截取桥梁固结处的合理范围，建立局部精细空间有限元模型；根据实桥桥梁固结处混凝土配比和材料参数，模拟实际浇筑方案，进行桥梁固结处大体积混凝土水化热仿真分析，可以精准实施桥梁固结处混凝土浇筑。

而且根据热力学仿真分析得出的温度信息计算各热力学平面单元的温度信息，可以用于研究复杂温度场引起的混凝土梁变形特征，实现可反映复杂温度场特征的混凝土梁温度-变形耦合分析，充分考虑了复杂非线性温度场对梁结构变形的影响，实现对混凝土梁结构温度-变形的精细化耦合分析。该方法可准确考虑复杂温度荷载作用下桥梁结构的横向、竖向、纵向耦合变形及弯曲，并综合考量外界相关因素的影响，能够有效提供施工精准度高且施工质量好的高墩大跨T构桥梁的施工方法。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，高墩大跨T构桥梁包括主梁、纵梁、跨梁和桥墩，所述桥墩与主梁刚性连接，其特征在于，包括以下步骤：

1）设置有限元模型的温度单位；

2）设置主梁、纵梁、跨梁和桥墩的梁单元类型；

3）建立有限元计算温度场分布模型，将所述主梁、所述纵梁、所述跨梁和所述桥墩的截面划分为非线性温度场的热力学平面单元，设定边界约束；

4）设置混凝土的材料参数，所述材料参数包括弹性模量、容重、线膨胀系数、剪切模量或泊松比；

5）根据混凝土的材料参数，设定温度梯度模型及加载载荷；

6）根据温度梯度模型及加载载荷，以对所述截面施加相应的热流密度边界条件进行热力学仿真分析，得出各所述热力学平面单元的温度信息；

7）根据所述热力学平面单元的温度信息对所述高墩大跨T构桥梁进行温度-变形耦合分析，以计算应力和位移；温度-变形耦合分析在ANSYS软件环境中予以实现，温度-变形耦合分析包括采用结构矩阵分析方法计算桥梁及无砟轨道结构的变形和应力；

在步骤6）进行热力学仿真分析前，还包括将太阳辐射、对流换热和辐射换热转化为相应的热流密度边界条件的步骤；

所述加载载荷包括恒载、预应力荷载、徐变和干缩、或温度荷载。

2.根据权利要求1所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，在步骤6）进行热力学仿真分析中， 包括将所述T构桥梁的主梁部分模拟为空气流进行分析温度差分布分析。

3.根据权利要求1所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，还包括对所述计算应力和位移的结果进行后处理，并绘制出相关曲线的步骤。

4.根据权利要求1所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，定义有限元模型的温度单位为摄氏度。

5.根据权利要求1所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，所述温度梯度模型采用正相关模型。

6.根据权利要求1所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，还包括根据所述计算应力和位移判断是否符合桥梁规范要求的步骤。

7.根据权利要求6所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，所述桥梁规范要求是在车辆横向摇摆力、离心力、风力和温度作用下的指标规范。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高墩大跨T构桥梁温度场分布分析及温度效应控制方法，其特征在于，在所述主梁、所述纵梁、所述跨梁或所述桥墩的截面上埋设温度检测装置，以监测所述截面处的温度。

Images