劉誠(chéng)誠(chéng)，黃永杰，張根思，劉武昊，劉成，張永水*

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶市 400074； 2.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司； 3.青海省公路管理局)

高海拔地區(qū)具有氣溫低、晝夜溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，薄壁空心高墩受日照輻射和空氣溫度影響較大。薄壁空心高墩由于四周和內(nèi)外表面溫度的不均勻分布，容易引起較大的偏位和應(yīng)力?；跍夭钛芯勘砻鳎寒?dāng)空心高墩內(nèi)外氣溫溫差達(dá)2～3 ℃時(shí)，橋墩內(nèi)外壁溫差可能會(huì)超過(guò)15 ℃?；谄坏难芯勘砻鳎寒?dāng)四周外壁溫差達(dá)7 ℃時(shí)，溫差產(chǎn)生的偏位達(dá)到5 cm以上，超過(guò)規(guī)范允許的軸線偏位值。有文獻(xiàn)表明溫度引起的應(yīng)力應(yīng)變值甚至達(dá)到了和活載一樣的數(shù)量級(jí)，因此不能忽略溫度對(duì)高墩的影響。在施工過(guò)程中，除了考慮高墩施工工藝產(chǎn)生的誤差外，還需考慮由日照溫度對(duì)橋墩偏位的影響，對(duì)施工段進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證墩身的垂直度。同時(shí)通過(guò)合理布置防裂鋼筋或采取相應(yīng)的溫控措施，防止墩身開(kāi)裂。

為研究施工過(guò)程中，日照對(duì)橋墩的影響，以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析日照溫度對(duì)墩體溫度的影響，計(jì)算由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和溫度變形。為墩身裂縫防治以及墩身垂直度控制提供建議，以保證墩身施工質(zhì)量。

1 熱交換理論

墩身溫度場(chǎng)隨外界溫度和日照輻射的變化而變化。熱交換具體計(jì)算如下。

太陽(yáng)直接輻射熱流密度：

(1)

(2)

式中：J0為太陽(yáng)常數(shù)，表示太陽(yáng)輻射在單位時(shí)間內(nèi)投射到地球大氣層上界并垂直于太陽(yáng)射線的單位面積上的能量；N為自1月1日起的日序數(shù)；P為大氣透明度系數(shù)，由林克氏渾濁度系數(shù)和相對(duì)大氣壓決定；h為太陽(yáng)高度角；β為壁面與水平面的夾角；αs為太陽(yáng)方位角；αw為壁面方位角。

天空散射：

(3)

地面短波反射：

(4)

式中：rs為地表短波反射系數(shù)。

任何物質(zhì)都可以釋放并吸收長(zhǎng)波輻射：

qr=Csε[εah(Ta+273)4-(T+273)4]

(5)

式中：εah為反映大氣長(zhǎng)波輻射與地面長(zhǎng)波輻射綜合輻射效應(yīng)的系數(shù)，可取為1.0；Cs為斯特番-波爾茲曼常數(shù)；ε為混凝土表面輻射率；Ta為氣溫；T為邊界溫度。

空氣與墩表面之間存在溫度差，會(huì)在邊界處產(chǎn)生對(duì)流換熱，壁面與大氣對(duì)流換熱的熱流密度為：

qc=h′[Ta-T]

(6)

式中：h′為對(duì)流換熱系數(shù)，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

(7)

式中：V為風(fēng)速(m/s)。

2 現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試

以青海省G310大循高速公路上臥龍溝4號(hào)大橋?yàn)檠芯勘尘?。該橋最高橋墩?#橋墩，高104 m。外表面由墩底8.06 m×6.56 m漸變到墩頂5.50 m×4.00 m，橫橋向壁厚0.85 m，縱橋向壁厚0.80 m。

為測(cè)得臥龍溝4號(hào)橋6#墩沿壁厚方向的溫度場(chǎng)，選取橋墩高30 m和墩高90 m處作為測(cè)試截面，截面上埋置混凝土溫度傳感器進(jìn)行量測(cè)。每個(gè)截面共布置12個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，溫度測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。并在墩內(nèi)、外表面上各自安裝一個(gè)空氣溫度計(jì)，用于測(cè)量空氣溫度，2016年8月8號(hào)所測(cè)空氣溫度見(jiàn)表1。

圖1 橋墩布置走向及表面溫度測(cè)量布置圖

表1 6#墩內(nèi)外表面空氣溫度實(shí)測(cè)值(2016年8月8日)

3 日照溫度場(chǎng)分析

3.1 模型分析參數(shù)

以臥龍溝4號(hào)6#墩為計(jì)算模型，僅考慮橋墩架設(shè)過(guò)程，還未架設(shè)上部結(jié)構(gòu)，分析2016年8月8號(hào)的溫度。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果分析，橋墩溫度和墩高無(wú)關(guān)。橋墩外表面熱交換包含熱輻射和熱對(duì)流，風(fēng)速取1 m/s。內(nèi)表面熱交換包括長(zhǎng)波輻射和熱對(duì)流，風(fēng)速取0 m/s。不考慮內(nèi)外氣流交換。內(nèi)外空氣溫度取實(shí)測(cè)值。表2為具體參數(shù)取值。

表2 墩身溫度分析關(guān)鍵參數(shù)表

由于對(duì)流換熱和長(zhǎng)波輻射交換都受表面固體溫度和表面空氣溫度的影響，因此采用綜合換熱系數(shù)表征其綜合效果，公式為：

(8)

對(duì)于外表面，因太陽(yáng)輻射與表面溫度無(wú)關(guān)，不影響綜合系數(shù)，故以綜合系數(shù)將太陽(yáng)輻射的熱流換算到周?chē)目諝庵?，為綜合空氣溫度。

Tsa=Ta+Asqsdi/hz

(9)

式中：Tsa為綜合空氣溫度；Ta為外界溫度；As為混凝土吸收率。

內(nèi)表面不考慮太陽(yáng)輻射，Tsa=Ta。

3.2 溫度場(chǎng)分析

采用Ansys17.0中的Ansys/Multiphysics模塊分析橋墩溫度的變化。

首先建立墩模型。單元采用三維實(shí)體單元Soild70進(jìn)行分析，生成實(shí)體模型，掃略(Sweep)劃分網(wǎng)格。

然后求解。定義初始環(huán)境溫度為18.2 ℃。采用瞬態(tài)分析。荷載采用熱對(duì)流加載，空氣溫度由測(cè)得的空氣溫度數(shù)組按時(shí)間插值所得，按式(8)、(9)計(jì)算出綜合交換系數(shù)、綜合空氣溫度。

表3和圖2為90 m處各測(cè)點(diǎn)的溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值。

表3 東北側(cè)外表面和西北側(cè)外表面測(cè)點(diǎn)溫度變化

圖2 13：00時(shí)刻不同測(cè)點(diǎn)的溫度值

由表3可知:從時(shí)間和空間上，證明空心墩計(jì)算值和實(shí)測(cè)值比較吻合，變化規(guī)律基本一致。說(shuō)明溫度場(chǎng)計(jì)算模型正確可信。圖2表明：受日照溫度和輻射影響較大的范圍位于距橋墩外表面50 cm以內(nèi)。

4 溫度效應(yīng)分析

4.1 溫度應(yīng)力分析

在已驗(yàn)證的溫度場(chǎng)分析模型基礎(chǔ)上，將溫度單元轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，寫(xiě)入結(jié)構(gòu)屬性，施加一端固結(jié)一端自由的邊界條件，墩只承受溫度荷載，按荷載步加載溫度計(jì)算結(jié)果。求得墩應(yīng)力變化和位移變化。取計(jì)算結(jié)果的典型時(shí)刻12：48墩頂單元，計(jì)算結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 墩頂單元橫橋向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

圖4 墩頂單元縱橋向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

由圖3～5可知:混凝土3個(gè)方向的最大拉應(yīng)力分別為σx=1.98、σy=1.84、σz=1.54 MPa?？招亩栈炷恋目估瓘?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.39 MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.71 MPa。考慮橋墩在施工過(guò)程中主要受豎向重力，且最不利位置位于墩頂處，重力產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)x、y方向拉應(yīng)力的影響不大，故按最大拉應(yīng)力理論，應(yīng)力值大于混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，施工中，橋墩混凝土可能產(chǎn)生開(kāi)裂。

圖5 墩頂單元豎向應(yīng)力云圖(單位:Pa)

4.2 位移偏位分析

分析日照溫度對(duì)墩頂偏位的影響。最大軸線偏位見(jiàn)表4。

表4 104 m墩頂偏位

假設(shè)日照輻射、天氣溫度沒(méi)有變化，僅分析墩高對(duì)偏位的影響。共分析墩高為30、50、70、80、90、104 m等情況。將得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 墩高與墩頂偏位關(guān)系圖

5 結(jié)論

(1) 高墩溫度場(chǎng)主要影響因素為大氣溫度和太陽(yáng)輻射。而高墩朝向?qū)Χ胀獗砻嫠茌椛浯笮∮杏绊?。橋墩的溫度滯后于空氣溫度。由于日照輻射，橋墩最大溫度高于空氣的最大溫度。橋墩受日照溫度和輻射影響較大的范圍位于距外表面50 cm以內(nèi)。

(2) 溫度和日照輻射對(duì)橋墩偏位影響極大。因此建議，為避免此類(lèi)偏位對(duì)施工引起不利影響，橋墩混凝土澆筑應(yīng)當(dāng)選擇墩身溫度較為均衡的凌晨04：00-05：00進(jìn)行。對(duì)104 m高墩來(lái)說(shuō)，溫度引起墩頂最大偏位為31.1 mm，已經(jīng)超過(guò)規(guī)范軸線偏位允許值，需嚴(yán)格控制施工。墩頂軸線偏位和墩高呈二次關(guān)系，橋墩高于50 m時(shí)需采用嚴(yán)格的糾偏措施。

(3) 按混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值來(lái)考慮，施工過(guò)程中墩頂混凝土有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，需合理布設(shè)防裂鋼筋或采取溫控措施，以防止混凝土開(kāi)裂。