黃全成,滕念管

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

引言

當(dāng)前我國(guó)正在研究時(shí)速600 km以上的高速磁浮列車(chē)及其軌道梁，傳統(tǒng)的磁浮線路通常采用高架線路結(jié)構(gòu)，軌道梁兩端擱置在支墩上，列車(chē)環(huán)抱軌道梁運(yùn)行，這不利于設(shè)備的檢修以及人員的逃生。

隨著磁浮交通的進(jìn)一步發(fā)展，軌道梁的功能要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位申請(qǐng)了許多關(guān)于梁上梁式軌道梁的相關(guān)專利[1-3]，梁上梁式軌道梁上部采用常規(guī)軌道梁，下部采用大型箱梁用來(lái)支撐上部軌道梁，在磁浮線路中有較好的應(yīng)用前景，梁上梁式軌道梁示意如圖1所示。

圖1 梁上梁式軌道梁示意

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土日照溫度效應(yīng)進(jìn)行了大量研究。李全林(2004)在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用有限元軟件ANSYS，對(duì)混凝土箱梁截面溫度場(chǎng)進(jìn)行了理論分析，并研究了橋梁方位角、翼緣懸臂長(zhǎng)度和腹板高度對(duì)箱梁溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的影響[4]。李玉磊(2010)研究了上海線磁浮軌道梁在日大氣環(huán)境下的二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布以及不同跨型的軌道梁在溫度荷載作用下的撓度變形問(wèn)題[5]。Tayi等(2015)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了箱梁三維溫度場(chǎng)有限元結(jié)果的正確性，研究了混凝土密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、表面發(fā)射率和表面吸收率對(duì)箱梁溫度分布的影響[6]。張譽(yù)瀚等(2017)利用ANSYS建立箱梁二維溫度場(chǎng)有限元分析模型，并將有限元模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了有限元方法的正確性[7]。李巖(2018)建立了中低速磁浮軌道結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了在烏魯木齊地區(qū)的溫度氣候條件下中低速磁浮單箱單室軌道梁的變形和應(yīng)力特性，并分析了在溫度變形作用下的車(chē)橋耦合振動(dòng)[8]。刁飛(2018)利用Python建立了箱梁溫度邊界條件，在此基礎(chǔ)上對(duì)斜拉橋進(jìn)行二維瞬態(tài)熱分析，得到了箱梁沿梁高與梁寬方向的最不利溫差，并將結(jié)果與鐵路規(guī)范對(duì)比[9]。鄒波(2019)分析了混凝土單箱雙室磁浮軌道梁在日大氣環(huán)境下的溫度效應(yīng)，擬合了豎向與橫向溫度梯度曲線，并將其與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比[10]。

綜上可知，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于箱梁溫度場(chǎng)的分析多集中于二維熱分析，并對(duì)豎向與橫向溫度梯度進(jìn)行擬合。實(shí)際上，在分析箱梁的豎向溫度變形時(shí)，橫向溫差會(huì)對(duì)箱梁產(chǎn)生一定的影響，單獨(dú)考慮豎向溫度梯度不能準(zhǔn)確地計(jì)算豎向溫度變形。對(duì)于磁浮系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，溫度變形要求極其嚴(yán)格，需要明確其溫度變形。目前，時(shí)速600 km以上高速磁浮軌道技術(shù)研究工作是由青島中車(chē)四方車(chē)輛有限公司牽頭，后續(xù)相應(yīng)的試驗(yàn)線也極有可能在青島展開(kāi)，而上海自2003年起高速磁浮就已運(yùn)行。相比于上部軌道梁，下部承重箱梁在結(jié)構(gòu)上更為重要，上部軌道梁類(lèi)似于傳統(tǒng)輪軌鐵路的軌道。因此，針對(duì)磁浮下部大型箱梁進(jìn)行青島與上海兩地的日照溫度效應(yīng)分析，為以后的工程實(shí)踐提供一定的參考。

1 日大氣環(huán)境下箱梁與外界的熱交換原理

混凝土箱梁一般暴露于大氣環(huán)境中，在外界環(huán)境的影響下混凝土箱梁的溫度發(fā)生變化。箱梁暴露在大氣中工作時(shí)與周?chē)h(huán)境的熱交換主要包括三種：太陽(yáng)輻射、對(duì)流換熱以及輻射換熱。其中太陽(yáng)輻射屬于第二類(lèi)邊界條件，對(duì)流換熱與輻射換熱屬于第三類(lèi)邊界條件[11]。箱梁內(nèi)部的邊界條件包括各表面與箱內(nèi)空氣的對(duì)流換熱以及各表面之間的輻射換熱。

2 有限元方法驗(yàn)證

目前，國(guó)內(nèi)沒(méi)有用于時(shí)速600 km以上高速磁浮大型箱梁，因此難以開(kāi)展試驗(yàn)研究承重箱梁在日環(huán)境下的溫度效應(yīng)。為了驗(yàn)證有限元分析的正確性，本節(jié)參考文獻(xiàn)[12]，利用ANSYS模擬幸福源水庫(kù)雙線特大橋的溫度效應(yīng)，并將結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 橋梁相關(guān)參數(shù)

由文獻(xiàn)[12]可知，橋梁所處地理位置為24.946°N，110.579°E，橋梁所處周?chē)h(huán)境為山區(qū)。橋梁截面尺寸及測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 橋梁截面尺寸及測(cè)點(diǎn)位置示意[12](單位：mm)

實(shí)測(cè)風(fēng)速為2.5 m/s，混凝土密度為2 500 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容分別為2.5 W/(m·℃)和880 J/(kg·℃)。對(duì)于大氣溫度，文獻(xiàn)[12]只有相關(guān)圖表，沒(méi)有具體數(shù)值，箱梁外部大氣溫度變化可以取為介于最高氣溫與最低氣溫之間的正弦曲線[13]，因此箱梁所處地區(qū)氣溫可近似表示為

(1)

式中，T為大氣溫度；t為時(shí)間。

2.2 有限元擬合結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在將有限元結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的過(guò)程中，由于沒(méi)有完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，因此在進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的定量分析。

頂板測(cè)點(diǎn)11的溫度時(shí)程曲線如圖3所示。由圖3可知，有限元結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在一天內(nèi)的變化趨勢(shì)基本一致，測(cè)點(diǎn)11在上午6點(diǎn)到下午2點(diǎn)溫度不斷升高，在下午2點(diǎn)以后溫度降低。有限元模擬結(jié)果表明：測(cè)點(diǎn)11在一天內(nèi)的最高溫度為48.76 ℃，最低溫度為26.98 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：測(cè)點(diǎn)11在一天內(nèi)的最高溫度大約為49 ℃，最低溫度大約為26 ℃，最高溫度與最低溫度誤差均在5%以內(nèi)。

圖3 測(cè)點(diǎn)11溫度時(shí)程曲線

西腹板測(cè)點(diǎn)19的溫度時(shí)程曲線如圖4所示。對(duì)比圖4(a)、圖4(b)可知，測(cè)點(diǎn)在一天內(nèi)的整體溫度變化趨勢(shì)一致。在下午4點(diǎn)到6點(diǎn)時(shí)刻，圖4(a)中測(cè)點(diǎn)的溫度急劇升高，該時(shí)刻測(cè)點(diǎn)19剛由陰影狀態(tài)過(guò)渡到太陽(yáng)直接輻射狀態(tài)，與試驗(yàn)結(jié)果相比存在一定差別。但是，有限元擬合結(jié)果表明，測(cè)點(diǎn)19的最高溫度為39.1 ℃，最低溫度為27.2 ℃；由圖4(b)可知，試驗(yàn)測(cè)得測(cè)點(diǎn)19在一天內(nèi)的最高溫度大約為39 ℃，最低溫度大約為25.2 ℃，誤差分別為0.26%和7.9%。

圖4 測(cè)點(diǎn)19溫度時(shí)程曲線

東腹板測(cè)點(diǎn)34的溫度時(shí)程曲線如圖5所示。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在上午11點(diǎn)到下午4點(diǎn)時(shí)間范圍內(nèi)有一些區(qū)別。主要表現(xiàn)為有限元結(jié)果在該時(shí)間段內(nèi)溫度仍然有一個(gè)緩慢的增加，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在該時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)34溫度緩慢降低。這主要是由于在有限元模擬過(guò)程中，外界氣溫在該時(shí)間范圍內(nèi)仍大于測(cè)點(diǎn)34的溫度，而實(shí)際上外界氣溫并不能完全用正弦函數(shù)擬合，這是由于外界氣溫設(shè)置導(dǎo)致的誤差，實(shí)際上測(cè)點(diǎn)溫度在該時(shí)段內(nèi)的誤差并不是很大。

圖5 測(cè)點(diǎn)34溫度時(shí)程曲線

底板測(cè)點(diǎn)18的溫度時(shí)程曲線如圖6所示。由圖6(a)可知，測(cè)點(diǎn)18在一天內(nèi)的最高溫度為35.25 ℃，最低溫度為27.53 ℃；由圖6(b)可知，試驗(yàn)測(cè)得測(cè)點(diǎn)18在一天內(nèi)的最高溫度為33.8 ℃，最低溫度大約為25.2 ℃，誤差分別為4.3%和9.2%，最低溫度誤差較大，其主要是由于初始溫度場(chǎng)設(shè)置的影響。

圖6 測(cè)點(diǎn)18溫度時(shí)程曲線

由以上分析可知，部分節(jié)點(diǎn)的誤差大于5%。產(chǎn)生誤差的原因有很多，具體包括模型材料參數(shù)與實(shí)際參數(shù)不完全相符，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)位置不完全正確，溫度測(cè)量誤差，箱梁尺寸誤差，大氣溫度設(shè)置誤差等等。但總體來(lái)說(shuō)，有限元擬合數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)在一天內(nèi)的變化趨勢(shì)一致，因此有限元方法可用于模擬日照環(huán)境下的箱梁溫度場(chǎng)。

3 承重箱梁日照溫度場(chǎng)有限元分析

3.1 有限元模型

由于國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有用于高速磁浮的大型箱梁，本文參考已有鐵路工程實(shí)例及相關(guān)磁浮梁上梁式軌道梁專利，考慮人員逃生通道、設(shè)備檢修通道以及車(chē)輛界限等因素，確定了箱梁截面尺寸，通過(guò)模態(tài)分析以及剛度分析，進(jìn)一步優(yōu)化了箱梁截面尺寸，優(yōu)化后的箱梁截面如圖7所示。

圖7 箱梁截面(單位：mm)

本文假定箱梁的走向?yàn)槟媳弊呦?，利用有限元軟件ANSYS建立了有限元模型。有限元單元采用SOLID70單元，SOLID70單元在進(jìn)行瞬態(tài)熱分析以后能夠通過(guò)單元轉(zhuǎn)化命令成為SOLID185單元而進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，網(wǎng)格尺寸控制為0.1 m，模型材料采用C50混凝土?；炷敛牧系臒嵝阅軈?shù)參考《高性能混凝土結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)原理》[14]：混凝土密度為2 400 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容分別為1.758 W/(m·℃)和916.7 J/(kg·℃)。

3.2 日氣溫變化

根據(jù)最近10年氣溫統(tǒng)計(jì)資料，上海市7月份平均最高氣溫為33.63 ℃，平均最低氣溫為26.88 ℃；青島市8月份平均最高氣溫為29.14 ℃，平均最低氣溫為23.71 ℃。上海與青島日氣溫變化曲線如圖8所示。

圖8 上海與青島日氣溫變化曲線

對(duì)于箱梁內(nèi)部空氣，其溫度在一天內(nèi)波動(dòng)較小，可近似按式(2)計(jì)算[15]。

(2)

3.3 熱交換系數(shù)

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[16-18]對(duì)對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行了大量研究。對(duì)流換熱系數(shù)hc主要與風(fēng)速、表面粗糙度以及表面傾斜度等因素有關(guān)，其中風(fēng)速起主要作用，對(duì)流換熱系數(shù)可按照文獻(xiàn)[19]計(jì)算。輻射換熱是指物體與介質(zhì)之間通過(guò)長(zhǎng)波輻射的方式進(jìn)行熱交換，輻射換熱系數(shù)hr可按文獻(xiàn)[20]計(jì)算。上海與青島的對(duì)流換熱系數(shù)與長(zhǎng)波輻射換熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 換熱系數(shù) W/(m2·℃)

3.4 太陽(yáng)輻射量的計(jì)算

對(duì)于處在大氣環(huán)境下的箱梁，其受到的太陽(yáng)輻射主要包括太陽(yáng)直接輻射、天空散射以及地表反射。太陽(yáng)輻射的計(jì)算可根據(jù)文獻(xiàn)[21]的方法計(jì)算。太陽(yáng)輻射量的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 太陽(yáng)輻射計(jì)算結(jié)果 W/m2

4 ANSYS計(jì)算結(jié)果

4.1 箱梁溫度云圖

基于上述理論與計(jì)算結(jié)果，對(duì)箱梁進(jìn)行24 h瞬態(tài)熱分析。為了消除箱梁初始溫度設(shè)置的影響，循環(huán)計(jì)算4個(gè)周期[5]。計(jì)算結(jié)果表明：第3個(gè)周期與第4個(gè)周期的結(jié)果基本一致，取第4個(gè)周期的計(jì)算結(jié)果，上海地區(qū)箱梁溫度場(chǎng)云圖如圖9所示。

圖9 箱梁截面溫度場(chǎng)分布(上海)

由圖9可以看出，隨著太陽(yáng)輻射入射角的變化，箱梁的溫度也發(fā)生相應(yīng)的變化。東腹板首先受到太陽(yáng)輻射，因此東腹板的溫度率先升高；隨后，頂板開(kāi)始受到太陽(yáng)的輻射，此時(shí)頂板的溫度逐漸升高。在下午時(shí)西腹板開(kāi)始受到太陽(yáng)輻射，此時(shí)西腹板的溫度逐漸升高。由于受到太陽(yáng)直接輻射的影響，箱梁的溫度極值出現(xiàn)在頂板以及兩側(cè)腹板的外表面。對(duì)于箱梁底面以及內(nèi)表面，由于受到的輻射較小甚至沒(méi)有，因此其溫度在一天內(nèi)的變化不明顯。

4.2 不同節(jié)點(diǎn)溫度變化

國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)研究指出，箱梁沿軸向的溫度變化基本保持不變[22]。因此，為探究豎向與橫向節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢(shì)，本節(jié)選取端部截面東腹板中線以及底板中線附近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，節(jié)點(diǎn)位置如圖10所示。

圖11為箱梁豎向節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線。由圖11可以看出，初始溫度場(chǎng)的假設(shè)所引起的誤差隨著循環(huán)加載逐漸消除，第4個(gè)計(jì)算周期與第3個(gè)計(jì)算周期的結(jié)果基本一致，因此本文后面部分的分析均取第4個(gè)周期的計(jì)算結(jié)果。頂板受到太陽(yáng)直接輻射，因此頂板節(jié)點(diǎn)N1在一天中的氣溫變化很大。相對(duì)于頂板，底板僅受到天空散射以及地表反射，其節(jié)點(diǎn)N5在一天內(nèi)的溫度變化較小。對(duì)于靠近腹板中部的節(jié)點(diǎn)，其在一天內(nèi)的溫度變化不明顯且溫度變化存在明顯的滯后性，這是由于翼緣遮擋以及混凝土的熱傳導(dǎo)性能較差等多方面因素導(dǎo)致的。

圖10 箱梁端部節(jié)點(diǎn)選取示意

圖11 豎向節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

圖12為橫向節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線，由圖12可以看出，東西兩側(cè)腹板的節(jié)點(diǎn)在一天內(nèi)溫度變化很大，中間位置節(jié)點(diǎn)在一天內(nèi)的溫度變化較小，這是由于東西側(cè)腹板相比于底板在一天內(nèi)受到的輻射總量更大。由于太陽(yáng)直接輻射時(shí)間不同，東西側(cè)節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線存在明顯的相位差。東側(cè)節(jié)點(diǎn)N6的溫度在上午9點(diǎn)左右達(dá)到峰值，在此之前，東腹板底部受到太陽(yáng)直接輻射，隨著太陽(yáng)輻射入射角的變化以及翼緣遮擋的影響，在此之后節(jié)點(diǎn)處于陰影狀態(tài)，溫度隨之下降。西側(cè)節(jié)點(diǎn)N9在一開(kāi)始時(shí)溫度變化較為平緩，在下午兩點(diǎn)左右底部節(jié)點(diǎn)開(kāi)始受到太陽(yáng)直接輻射，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的溫度急劇升高，并在下午5點(diǎn)左右達(dá)到峰值。

圖12 橫向節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

由圖11與圖12可知，箱梁在兩個(gè)地區(qū)的相同節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻的溫度不同。上海氣溫較高而風(fēng)速較低，導(dǎo)致箱梁節(jié)點(diǎn)最大溫度與最小溫度均高于青島，但箱梁節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致。

4.3 最不利溫差梯度擬合

4.3.1 最不利豎向溫差擬合

由有限元分析結(jié)果可知，兩地箱梁豎向最大溫差均發(fā)生在下午2點(diǎn)左右。圖13為箱梁最不利溫差分布曲線，由圖13可知，兩地箱梁豎向溫差分布趨勢(shì)基本一致，靠近頂板0.6 m和底板0.2 m范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)溫差變化劇烈，中間部分溫差變化較小，上海地區(qū)箱梁豎向最不利溫差比青島稍大。利用指數(shù)函數(shù)對(duì)上海地區(qū)箱梁最不利豎向溫差進(jìn)行擬合，頂板向下3.0 m范圍內(nèi)的擬合公式為T(mén)=17.54×e-6.04x，底板向上0.2 m范圍內(nèi)的擬合公式為T(mén)=4.36×e-6.80x。

圖13 最不利溫差分布曲線

4.3.2 最不利橫向溫差擬合

兩地箱梁橫向最大溫差發(fā)生在下午4點(diǎn)左右，由圖13可知，東西腹板0.5 m范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)溫差變化劇烈，靠近中部節(jié)點(diǎn)溫差基本為0 ℃，上海地區(qū)箱梁橫向最不利溫差較青島大。利用指數(shù)函數(shù)對(duì)上海地區(qū)箱梁最不利橫向溫差進(jìn)行擬合，西腹板向右3.5 m范圍內(nèi)的擬合公式為T(mén)=8.86×e-11.40x，東腹板向左0.5 m范圍內(nèi)的擬合公式為T(mén)=2.70×e-3.86x。

4.4 擬合公式與磁浮規(guī)范對(duì)比

我國(guó)《高速磁浮交通設(shè)計(jì)規(guī)范》[23]指出：磁浮軌道梁的溫度梯度選取參照TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[24]的溫度梯度模式，并結(jié)合當(dāng)?shù)卦囼?yàn)梁溫差實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)取值。規(guī)范對(duì)于豎向溫度梯度的規(guī)定是溫差從頂面向下衰減，對(duì)于橫向溫度梯度的規(guī)定是沿梁寬方向衰減。由4.3小節(jié)可知，豎向溫度梯度與橫向溫度梯度與規(guī)范存在較大的差異，主要表現(xiàn)為溫度梯度不是沿單方向減小，在箱梁底部和另一側(cè)腹板溫差有明顯的回彈。對(duì)于磁浮系統(tǒng)，軌道梁豎向溫差變形控制要求十分嚴(yán)格，豎向變形過(guò)大會(huì)影響車(chē)橋耦合振動(dòng)，因此有必要討論規(guī)范對(duì)于溫差的規(guī)定是否合理。

4.5 箱梁溫度變形

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于箱梁溫度變形的計(jì)算多是通過(guò)擬合溫度梯度建立三維模型，將溫度梯度作為荷載輸入計(jì)算溫度變形。本節(jié)分別計(jì)算了在規(guī)范公式、擬合公式以及三維溫度場(chǎng)荷載作用下箱梁的溫度變形并進(jìn)行對(duì)比分析，其中利用三維溫度場(chǎng)計(jì)算溫度變形的方法此處稱為直接法，溫度變形云圖如圖14所示。

圖14 箱梁溫度變形云圖

由圖14可知，擬合公式計(jì)算的結(jié)果最小，規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果和直接法計(jì)算的結(jié)果相近，較為符合實(shí)際，規(guī)范公式相對(duì)于擬合公式更偏安全，實(shí)際工程中可采取規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算，但仍需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確保安全。直接法的箱梁變形云圖相較于另外兩種方法存在一定的差異，主要表現(xiàn)為溫度變形不是沿中間向兩側(cè)減小，主要原因?yàn)橄淞簻夭畈皇桥c規(guī)范假設(shè)一致，對(duì)于處于同一個(gè)高度的節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，外表面節(jié)點(diǎn)和內(nèi)表面節(jié)點(diǎn)溫差不會(huì)為零，因此箱梁溫差變形與規(guī)范計(jì)算結(jié)果有所差異。

4.6 風(fēng)速對(duì)箱梁溫差的影響

箱梁處于日大氣環(huán)境時(shí)，風(fēng)速相對(duì)其他因素來(lái)說(shuō)難以控制。前面已經(jīng)說(shuō)到風(fēng)速對(duì)于對(duì)流換熱系數(shù)有較大的影響，風(fēng)速越大，對(duì)流換熱系數(shù)越大，箱梁與周?chē)h(huán)境的熱交換效率越高。實(shí)際環(huán)境中風(fēng)向較難控制，本小節(jié)主要目的為探究風(fēng)速對(duì)于箱梁溫度梯度的影響，風(fēng)向的影響可忽略不計(jì)。為了探究風(fēng)速對(duì)箱梁截面豎向與橫向溫差梯度的影響，取風(fēng)速分別為0，3.5，7 m/s和10.5 m/s，對(duì)上海地區(qū)箱梁進(jìn)行有限元分析。

不同風(fēng)速下箱梁的最不利溫差如圖15所示。由圖15可以看出，風(fēng)速不同時(shí)，箱梁的豎向與橫向溫差分布規(guī)律基本保持一致。當(dāng)風(fēng)速逐漸增大，箱梁與周?chē)h(huán)境的熱交換效應(yīng)增強(qiáng)，箱梁的豎向與橫向溫差減小，箱梁的整體溫度分布更加趨于均勻。我國(guó)幅員遼闊，不同地區(qū)風(fēng)速以及風(fēng)向相差較大，在對(duì)箱梁豎向與橫向溫度梯度進(jìn)行規(guī)定時(shí)，應(yīng)考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件。

圖15 不同風(fēng)速下箱梁最不利溫差曲線

5 結(jié)論

(1)在日大氣環(huán)境下，上海與青島兩地由于大氣溫度、風(fēng)速等因素不同，導(dǎo)致箱梁截面的最高與最低溫度存在一定的差異，但箱梁整體的溫度分布趨勢(shì)相似，豎向與橫向溫度梯度分布相一致，實(shí)際工程中可采取同一種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

(2)箱梁豎向與橫向溫度梯度擬合結(jié)果表明，豎向與橫向溫度梯度與規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度存在較大的差異性，主要表現(xiàn)為溫差不是沿單方向減小。

(3)箱梁溫度變形結(jié)果表明，規(guī)范公式、擬合公式與直接法計(jì)算的結(jié)果相比，擬合公式計(jì)算出的豎向溫度變形最小，因此不能忽略橫向溫差對(duì)于豎向溫度變形的影響。規(guī)范公式更加貼合實(shí)際工程，相較于擬合公式偏于安全，實(shí)際工程項(xiàng)目可參考規(guī)范公式，但仍需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

(4)風(fēng)速對(duì)于箱梁的溫度梯度有較大的影響，隨著風(fēng)速的增大，箱梁溫度梯度有減小的趨勢(shì)。實(shí)際工程中，應(yīng)考慮不同地區(qū)的氣候條件，合理設(shè)置風(fēng)速。