桥梁结构温度效应理论.ppt
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1、桥 梁 结 构 理 论任课教师:吴金荣安徽理工大学土木建筑学院,桥梁结构温度效应理论,温度分布温度荷载桥梁结构纵向温差应力通解任意截面上的纵向温差自应力T形和 形梁的纵向温差自应力箱形截面的温差应力桥梁墩柱温差应力,20世纪50年代初期,前联邦德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调查分析中,认识到温度应力对混凝土结构的重要性。我国铁道部大桥局曾在20世纪50年代末对实体混凝土桥墩的温度应力做了调研工作。在温度应力研究的起步阶段,国内外都以年温变化产生的均匀温度分布为依据。随着试验及理论研究的进展,开始认识到温度分布的非线性问题。到20世纪60年代初,英国的研究成果,才使对温度应力的研究从考虑一般的气
2、温作用,进入到考虑日照作用的新阶段 自20世纪60年代以来,国内外都发生由于温度应力而导致混凝土桥梁严重裂损的事故。Fritz Leonhardt曾提到:在箱形桥梁和肋桥梁的顶面和下缘之间温差可达到2733;预应力混凝土箱形桥梁大都因温差应力而损坏。,随着空心高桥墩、大跨度预应力混凝土箱梁桥等一些混凝土结构的发展,温度应力对混凝土结构的影响和危害,已越来越引起工程界的重视。温度应力分为两种:温度自约束应力或温度自应力:在结构物内部某一构件单元中,因纤维间的温度不同,所产生的应变差受到纤维间的相互约束而引起的应力。温度次约束应力或温度次应力:另一种是结构或体系内部各构件,因构件温度不同所产生的不
3、同变形受到结构外支承约束所产生的次内力的相应应力。温度应力具有明显的时间性、非性线,且应力、应变有时并不服从虎克定律。,温度分布是指在混凝土结构中,某一时刻结构内部与表面各点的温度状态。由于混凝土的导热系数较小,在外表温度急变的情况下,内部温度的变化存在明显的滞后现象导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异,形成非线性分布的温度状态。影响混凝土温度分布的外部因素主要有:大气温度变化的作用,如太阳辐射,夜间降温,寒流,风、雨、雪等各种气象因素的作用。影响混凝土温度分布的内部因素主要由混凝土的热物理性质和构件的形状等决定。值得注意的是,本章大多提及混凝土桥,原因是混凝土抗拉能力较差,对温度更敏
4、感。温度对其它材料桥梁同样重要。且本章分析方法亦同样适用。,1.温度分布,混凝土的导热系数和比热等热工参数性质的主要影响因素是其配合料,而混凝土的龄期与水灰比则对混凝土的热工参数影响较小。骨料对混凝土导热系数的影响较大。一般骨料混凝土的导热系数约为1.863.49W/(ms.)(约为黑色金属的1/27)而采用轻质骨料混凝土的导热系数约为1.16W/(m.s.)骨料对混凝土比热的影响也较明显 普通骨料混凝土的比热为8001200J/(kg),约为轻质骨料混凝土比热的1.6倍左右。在常温范围内混凝土的线膨胀系数一般是不变的,轻质骨料混凝土的数值较小。在一般工程计算中,普通骨料的混凝土、钢筋混凝土和
5、预应力混凝土,线膨胀系数可采用1.010-5/。,(1)箱形桥梁 现代大、中跨径桥梁常用的结构形式,现以双室箱梁为例,下图示出几个时刻的温度分布状态,其具有明显的指数曲线特征,(2)双T形桥梁 这是中、小跨径桥梁常用的截面形式,例如多T形、形桥梁或板梁式结构等。但这种桥梁的温度分布实测资料较少,根据箱形桥梁的实测资料分析,拟定双T形桥梁可能的温度分布,如图所示。,(3)箱形桥墩 以实测资料分析,箱形薄壁空心桥墩的温度分布如图所示。,(4)板式墩板式柔性桥墩的实测温度分布,(5)桥梁构件温度分布的特点 以上可见,桥梁构件的构造对温度分布有明显的影响。在混凝土箱形截面桥梁中,沿箱梁顶板表面温度分布
6、比较均匀,但沿腹板表面的温度分布则随时间而变。混凝土塔柱、墩柱结构垂直表面的温度分布,随其表面的朝向、太阳方位角的变化而异。钢筋对混凝土构件温度分布的影响较小,可不予考虑。公路桥梁顶板上的沥青路面层,当其较厚时对顶板有明显的降温作用,但较薄时因其吸热作用而对顶板不利。,温度荷载是分析温度应力的前题,它与一般桥梁荷载有质的区别,即具有时间性、空间性和结构个性。,1)温度荷载的特点 混凝土桥梁构件的表面与内部各点的温度随时都在发生变化,但就自然环境条件变化所产生的温度荷载,一般可分为日照温度荷载、骤然降温温度荷载及年温度变化荷载三种类型。这三种温度荷载的特点汇总于下表中。,2.温度荷载,各种温度荷
7、载特点,影响桥梁结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速,而从设计控制温度荷载来考虑,实体上可简化为太阳辐射与气温变化因素。骤然降温一般只要考虑气温变化和风速这两个因素,可以忽略太阳辐射的影响。骤然降温温度荷载变化较日照温度荷载缓慢、作用时间长。年温变化比较简单,且这个因素在工程设计中已被考虑。,2)温度荷载分析,工程结构的温度荷载是因气象条件而产生的,由于气象条件变化有明显的时间特征,因此工程结构的温度荷载是一个随时间而变化的函数。加之工程结构的温度分布在几何上又是多维的,所以,分析求解这种温度荷载很复杂,若要求得一个严格的函数解是不可能的。所谓工程结构的温度荷载分析,就是运
8、用各种不同的计算方法,确定工程结构的某一特定的温度分布。,分析工程结构的温度荷载的方法:(一)热传导方程求解;(二)是近似数值解;(三)是运用半理论半经验公式,(1)热传导方程 工程结构内部和表面的某一点,在某一瞬间的温度 可表示为,该点的温度不仅与坐标、有关,而且与时间有关。因此对于各向为均质、同性的固体,根据Fourier热 传导理论,可导得三维非稳定导热方程,式中:导热系数;,比热;,容重;,单位体积内放出的热量,当不研究材料的水化热时,即有,实测资料分析表明,混凝土结构的热传导状态,可近似地用一个一维热传导状态来逼近,作这样的简单处理,从工程实用角度考虑,其近似程度仍然是允许的,这样问
9、题的复杂性将大大简化。,在运营阶段的混凝土桥梁结构,根据实测,在桥长方向的温度分布一般总是很接近的,可以略去桥长方向温差的微小影响。在桥梁的横断面上,往往又存在一个主要的热传导方向,例如公路桥梁由于太阳辐射影响,在垂直方向的热传导远远大于水平方向的热传导。所以在工程计算中,又可略去水平方向很小的热传导作用。,在热传导初始瞬时,温度场坐标()的已知函数为,即当 时在相当多的情况下,初始瞬时的温度分布可以认为是常数,即当 时,在混凝土与基岩及新老混凝土之间的接触面上,初始温度往往不是连续的。,一般情况下,方程常用的边界条件由以下三种方式给出 第一类边界条件 混凝土表面温度是时间的已知函数,即,混凝
10、土与水接触时,表面温度等于已知的水温,属于这种边界条件。第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数,即,式中 为表面外法线方向。若表面是绝热的,则有,第三类边界条件 当混凝土与空气接触时,假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度 和气温 及日辐射关系为,式中:总热交换系数,考虑对流与辐射的综合热交换系数,这里将复杂的边界面上的辐射交换热状况,作线性化处理,以牛顿冷却定律规律计算;,日辐射强度;,结构物表面日辐射热量吸收系数;,计算板面的外法线方向。,结构物位于荫蔽处的边界条件为下列形式,结构物中的内表面,其边界条件为,隐蔽处的气温,结构物内部空间气温,对流热交换系数,内部综合放热系数
11、,虽然第三类边界条件比较符合混凝土结构在自然环境中的热交换状况,但工程实践经验表明,按第三类边界条件求解,往往要选到合适的放热系数,才能得到较满意的计算结果。为简化起见,自然也考虑到导热系数、放热系数的复杂性,直接用边界的实测温度数据作为边界条件,即采用第一类边界条件。,(2)一维热传导方程的解一维热传导方程可写为,混凝土的导温系数,为了求得一维热传导方程的解析解的简明形式,对具体结构作进一步的近似处理。结构物中被计算的壁板,近似地认为是一块半无限厚板,将周期化的气温变化简化为谐波形式,采用第一类边界条件,则可求得下列形式的解,表面温度波动的半波辐,圆频率,计算点距表面距离(m),时间,但由于
12、气温波动并不完全符合谐波形状,故此式误差较大。,(3)近似数值方法 按照边界条件求解热传导微分方程,在数学上是个难题;对于工程上提出的问题,用函数求解几乎是不可能的。因此,工程上常用数值方法求解,如有限元法、差分法、加权残值法等。以下结合有限元法予以介绍,根据变分原理,考虑泛函,上式右边第一项是在求解区域 中的面积分,第二项是沿边界 的线积分。是温度场的函数,是温度场 的梯度、及 的函数,显然泛函 的值决定于、及 的值。在区域 内,满足热传导方程,在初始瞬时,应等于给定的温度,即当 时,在边界 上满足第一类边界条件,即当 在 上,在边界 上满足第三类边界条件,即当 在 上,边界方向余弦,取函数
13、 和 为,代入得泛函为,这个热传导问题等价于下列泛函极值问题:温度场在 时取给定的初始温度,在第一类边界上取给定的边界温度,并使上述泛函取极小值,把求解域划分为有限个三角形单元,设 单元的三个节点排序为1、2及3,节点温度分别为、及,单元,内任一点的温度用节点温度表示为,上式中,形函数 是坐标、的函数 而节点温度 是时间 的函数,把单元 作为求解域 的一个子域,在这个子域内的泛函值为,在单元足够小的条件下,可用各单元泛函值之和代表原泛函,即,为了使泛函 实现极小值,应有,将有关式子代入经单元组合整理最后可得结构温度场有限元分析方程组为,式中、及 的元素、及,为与形函数及其导数及边界温度有关的常
14、数。上式对任意时间 都成立,显然,对 及 成立,即,设,有,合并有,上式是关于 的线性方程组,解之即得到各节点在 时的温度,对于一维热传导,可用差分法进行求解,若将一维热传导方程在 时刻用于节点 则有,式中,相应的差分格式为,经差分分析有,3)实用温度分布函数半经验半理论公式 对于一维温度场问题,50年代初期,前苏联学者什克罗维尔曾提出混凝土结构表面温度计算公式,但物理概念不明确,引入材料热工系数较多,且计算繁杂。后来、刘兴法等人根据实测温度资料分析,均采用,对国内外已有实测验资料分析的结果也表明,沿箱梁高、梁宽方向的温差分布一般可按下式计算,钢-混凝土结合梁的桥面板、板梁及T梁的温差分布,也
15、可参考上式计算。,4)温度荷载的规范规定,(1)英国BS5400规范规定,英国BS5400中关于温度荷载的规定,是迄今为止国内外关于桥梁结构的温度荷载规定中最为详细的。在总则中,考虑了气温、太阳辐射、逆辐射等的每日和季节变化因素。T梁与 梁桥沿竖向梁高方向的温差分布如右图所示。,对于箱梁顶板,BS5400所考虑的沿竖向梁高升、降温的温差分布如上图所示。,(2)新西兰桥梁规范规定,(3)我国铁路桥涵设计规范规定,日照温差荷载,可按下式计算,其中、及标准设计时的、可取下表的值,及 的取值表,对于特殊设计,可按TB10002.3-99规范条的规定计算,箱梁沿板厚的温度分布曲线按下式计算,箱梁板厚(m
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