钢管混凝土组合高墩连续刚构桥温度场测试与温度效应研究

摘要

温度效应往往会使桥梁结构产生较大的应力，温度应力会引起结构开裂，进而影响结构的正常使用，甚至会导致结构破坏，因而对钢管混凝土连续刚构桥的温度场做广泛而深入的研究显得尤为迫切。本文以雅泸高速公路的腊八斤特大桥为工程背景，在实桥温度场的基础上，选择其中具有代表性的天气条件下钢管混凝土连续刚构桥的温度场观测数据进行分析，并借助有限元软件ANSYS和Midas/civil对结构温度场及温度效应进行分析。主要研究内容和结论如下：
　　 1．简介箱形结构的温度场与温度荷载的相关理论，并对箱形结构温度场的数值方程、边界条件及相关热力学参数进行了计算。
　　 2．在对腊八斤特大桥现场温度测试的基础上，分析了在日照、降温等自然环境下混凝土箱梁截面的温度场随时间变化的规律，得出箱梁截面的温度场分布。用指数函数的形式对混凝土箱梁竖向温差曲线进行拟合，得出了我国西部地区无铺装层混凝土箱梁竖向正温差曲线。
　　 3．利用有限元软件ANSYS建立混凝土箱梁截面的温度场数值模型，按照桥区位置的边界条件，计算箱梁截面温度场分布，并与现场测试结果进行对比分析，得到适用于四川雅安地区的高墩大跨预应力混凝土箱梁温度场分布的数值计算方法。
　　 4．以现场温度测试为依据，着重分析了寒流作用下钢管混凝土组合截面温度场的测试数据随时间的变化规律，其变化周期与气温变化周期基本一致，得出组合结构截面的温度场分布形式，并通过origin数值拟合获得组合截面的温度梯度函数，钢管混凝土柱截面径向的温度梯度近似于三次多项式的分布形式。
　　 5．利用Midas civil/2010有限元软件建立全桥各个施工阶段的仿真模型，对桥梁在施工阶段和成桥阶段的温度效应分别进行计算分析；将实测温度梯度模式与各国规范温度梯度模式对结构的影响进行对比研究，并将得出各梯度模式作用下结构的应力、内力、位移并进行比较分析；当体系升温时，顶板上缘受压，底板下缘受拉，应力变化沿桥梁纵向呈正弦谐波曲线的特征；从四种不同温度模式计算的结果来看，本文实测的温度梯度模式产生的效应与英国规范的计算结果较为吻合，而与中、美规范效应数值差别较显著，表明各个地区的桥梁设计，以当地实际温度场来模拟计算才更为合理。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 课题的来源及研究思路、方法与意义

1.3.1 课题的来源

1.3.2 研究的思路、方法

1.3.3 研究的意义

1.4 本文主要研究工作

第二章 箱形结构温度场理论分析

2.1 引言

2.2 温度场的影响因素

2.2.1 气候综合影响因素

2.2.2 热交换因素和导热系数因素

2.2.3 桥位因素和结构因素

2.3 箱形结构温度荷载的理论分析

2.3.1 Fourier热传导方程

2.3.2 箱梁温度场的边界条件

2.3.3 近似数值方法

2.4 混凝土箱梁边界条件的计算

2.4.1 太阳辐射强度的计算

2.4.2 大气气温的考虑

2.5 热力学参数

2.5.1 热传导系数、比执

2.5.2 热交换系数的确定

2.6 本章小结

第三章 混凝土箱梁温度场观测

3.1 概述

3.2 试验方案

3.2.1 混凝土箱梁的温度测点布置

3.2.2 试验仪器选择

3.3 箱梁截面实测温度数据与分析

3.3.1 不同天气情况下箱梁截面温度分布

3.3.2 典型天气下箱梁截面测点温度分布

3.4 国内外设计标准中有关温度梯度模式的规定

3.4.1 英国桥梁规范(BS-5400)关于温度作用的规定

3.4.2 美国公路桥梁设计规范(AASHTO，1994)

3.5 箱梁高度温度梯度模式

3.6 本章小结

第四章 混凝土箱梁温度场数值分析

4.1 引言

4.2 温度场的有限单元法

4.2.1 平面温度场的有限元基本方程

4.2.2 有限元方程的求解

4.3 腊八斤大桥箱梁温度场求解

4.3.1 有限元分析模型

4.3.2 施加边界条件

4.3.3 求解

4.4 平面温度场的计算结果分析

4.4.1 温度场有限元计算结果

4.4.2 计算值与测试值的分析比较

4.5 本章小结

第五章 钢管混凝土结构温度场试验研究

5.1 工程背景

5.2 CFST在桥梁工程中的应用研究

5.3 试验方案

5.3.1 试验测试的目的

5.3.2 试验测试的方法

5.3.3 试验仪器选择

5.4 实测数据及分析

5.4.1 寒流降温作用下

5.4.2 太阳辐射作用下

5.4.3 墩顶偏位测试成果分析

5.5 本章小结

第六章 钢管混凝土高墩连续刚构桥温度效应分析

6.1 引言

6.2 温度应力计算的基本原理

6.3 钢管混凝土高墩温度效应分析

6.3.1 寒流作用下裸墩的温度效应

6.4 箱梁最大悬臂阶段温度效应分析

6.4.1 有限元模型

6.4.2 计算结果

6.4.3 施工阶段结果分析

6.4.4 施工阶段箱梁质量控制分析

6.5 成桥阶段箱梁温度效应分析

6.5.1 有限元模型

6.5.2 计算结果

6.5.3 成桥阶段结果分析

6.6 不同曲率半径下曲线刚构桥温度效应的计算

6.6.1 有限元模型

6.6.2 计算结果

6.6.3 计算结果分析

6.7 本章小结

结论与展望

1 结论

2 进一步研究设想

参考文献

致谢

附录