高速铁路圆端形空心高墩日照温度场效应研究

摘要

混凝土空心薄壁墩在太阳辐射和气温等自然气象条件因素下，其结构内部温度场不断变化和重新分布；其截面横向温度的不均匀性将引起结构内部的温度应变不均匀分布，从而使桥墩墩顶发生水平向位移。但计算温度场的初始边界条件、混凝土结构内部热传导分析以及结构温度效应计算是混凝土空心薄壁墩墩顶位移计算的难点。本文将对混凝土温度效应进行全过程研究，分别应用理论解析计算或有限元软件，对日照作用下的混凝土空心薄壁墩墩顶位移进行有效分析计算。　　根据普通天文学、太阳物理学以及结构传热学的基本理论进行了混凝土空心墩在不同地理位置及朝向所能进行的热量传递机理，以及关于温度效应计算过程中相关的基本计算公式和所需参数的收集整理，系统地建立了混凝土空心墩在自然环境中温度场计算的边界条件。并用Matlab软件编制了相应的热分析边界条件计算程序。结合福建合福高铁南平市建溪特大桥68m高墩温度监测时程数据,根据相应的地理与气象条件，进行了混凝土圆端形空心薄壁墩热边界条件计算，然后应用Abaqus进行结构温度场瞬态计算分析，计算结果与监测数据吻合良好。说明了本章所建立的结构热分析边界条件计算程序合理有效。　　在温度场计算准确的条件下，研究了基于结构力学的温度效应计算方法，沿壁厚方向采用3次幂函数对Abaqus计算的温度场结果进行分截面建立相应的温度计算回归方程，通过截面积分计算分段等截面混凝土空心薄壁墩的温度变形效应。计算表明节段划分合理的情况下，理论解析方法与Abaqus有限元软件关于圆端形混凝土空心薄壁墩在温度作用下的墩顶位移计算结果能良好吻合。　　结合汉巴南铁路某在建大桥3#墩，依据其相应的地理及气象条件计算了二分、二至日时期的圆端形混凝土空心薄壁墩温度场分析边界条件，分析了截面横向温差的时程分布和墩顶沿水平方向的时程位移情况，同一墩高情况下，截面横向温差的大小直接影响了墩顶横向位移值大小。进一步分析了1#——5#墩在春分日墩顶位移引起的线路横向线形变化，计算表明：在自然环境非特殊气候条件下，墩顶横向位移所引起的线路梁端转角最大为0.034‰rad，其值较小，对梁端转角引起的线路安全问题不起控制作用。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 问题的提出

1.2 研究背景及现状

1.3 研究目标及内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.4 论文组织

第 2 章混凝土空心墩温度场分析

2.1 概述

2.2 太阳辐射

2.2.1 天文参数

2.2.2 太阳辐射

2.3 热对流交换

2.4 热辐射交换

2.4.1 热辐射原理

2.4.2 大气和环境辐射

2.4.3 总辐射换热效应

2.5 边界条件的建立

2.5.1 外表面传热边界条件

2.5.2 箱内表面传热边界条件

2.6 混凝土空心薄壁墩温度场分析

2.6.1 工程背景

2.6.2 参数及边界条件

2.6.3 计算分析

2.7 本章小结

第 3 章混凝土空心高墩的温度变形

3.1 概述

3.2 混凝土结构变形的分析方法

3.2.1 基本假定

3.2.2 热-结构分析的基本原理

3.2.3 基于结构力学的温度效应计算方法

3.3 高墩模型

3.3.1 节段模型积分方法

3.3.2 整墩模型计算

3.4 本章小结

第 4 章墩顶位移产生的桥梁线形影响

4.1 概述

4.2 3#墩墩顶季节性变形特征分析

4.2.1 墩身温度季节性变化分析

4.2.2 墩顶位移分析

4.3 墩顶位移引起桥梁线形变化

4.4 本章小结

结论与展望

主要研究工作与结论

有待进一步研究的问题

致谢

参考文献