寒区高强钢丝索体径向温度场及其参数影响规律分析.pdf

第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI:10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.02寒区高强钢丝索体径向温度场及其参数影响规律分析刘兴国，黄 巍I，?,陶成云1，2(1.哈尔滨学院土木建筑工程学院,黑龙江哈尔滨150086；2.黑龙江省地下工程技术重点实验室，黑龙江哈尔滨150086)摘要:为系统分析系杆拱桥吊杆径向温度的影响因素,对三跨系杆拱桥吊杆横断面温度场进行实测试验，获得了吊 杆在6个月周期内的温度变化数据;基于热传导理论，采用ANSYS有限元软件建立吊杆导热温度场仿真分析模 型，以气象参数、吊杆材料热工参数、内部钢丝孔隙率及杆体直径参数为影响因素,针对单一影响因素对温度场的敏 感程度进行数值分析。研究结果表明:太阳辐射强度是主要影响因素，辐射强度每降低100 W/n?时吊杆内部钢丝 两外侧径向温差减小0.77 C;吊杆内部钢丝孔隙率对吊杆庇荫面内部钢丝温度、径向温差值的影响较大，从5%变 为15%,径向温差最大变化量为3.4、1.8 C;索体直径由97 mm变为600 mm时，索体横断面温度不均匀分布明显 增大,其径向温差变化量为9.0 C,对结构受力不利;钢丝及外包防腐材料的导热系数及比热容，对吊杆内部钢丝两 外侧径向温差的影响均很小，径向温差最大变化量分别为1.3、1.0 C。关 键 词:桥梁工程;桥梁吊杆;温度测试;有限元分析;温度场;敏感性分析中图分类号:U441.5 文献标志码:A 文章编号：1674-0696(2023)04-011-10Radial Temperature Field of High-Strength Steel Wire Cable in Cold Area and Its Parameter Influence LawLIU Xinggu o1,2,HUANG Wei1,2,TAO Cheny u n1,2(1.Sc hool o Civil Engineer ing,Ha r b in Univer sit y,Ha r b in 150086,Heil ongjia ng,China;2.Key La b or a t or y of Und er gr ou nd Engineer ing Tec hnol ogy o Heil ongjia ng P r ovinc e,Ha r b in 150086,Heil ongjia ng,China)Ab st r a c t：In or d er t o sy st ema t ic a l l y a na l y ze t he fa c t or s a ffec t ing t he r a d ia l t emper a t u r e of t he su spend er of t ied-a r c h b r id ge?t he t emper a t u r e va r ia t ion d a t a of su spend er s in six r mont h per iod wer e ob t a ined t hr ou gh t he mea su r ed t est on t he c r oss-sec t iona l t emper a t u r e fiel d of su spend er s of t hr ee-spa n t ied-a r c h b r id ge.Ba sed on hea t c ond u c t ion t heor y,t he simu l a t ion a na l y sis mod el o t her ma l c ond u c t ion t emper a t u r e fiel d o su spend er wa s est a b l ished b y ANSYS finit e el ement soft wa r e.The sensit ivit y of t emper a t u r e fiel d wa s a na l y zed b y nu mer ic a l a na l y sis met hod b a sed on t he singl e c ond it ion su c h a s met eor ol ogic a l pa r a met er s,t her ma l pa r a met er s of su spend er ma t er ia l,int er na l st eel wir e por osit y a nd r od d ia met er pa r a met er s.The r esea r c h r esu l t s show t ha t t he sol a r r a d ia t ion int ensit y pl a y s a ma jor infl u enc e fa c t or.When t he r a d ia t ion int ensit y d ec r ea ses b y 100 w/m2,t he r a d ia l t emper a t u r e d iffer enc e b et ween t he t wo ou t er sid es of t he st eel wir e insid e t he su spension r od d ec r ea ses b y 0.77 C.The por osit y of st eel wir e insid e t he su spend er ha s gr ea t infl u enc e on t he t emper a t u r e a nd r a d ia l t emper a t u r e d iffer enc e of st eel wir e insid e t he sha d ed su r fa c e of t he su spend er.When t he por osit y is c ha nged fr om 5%a nd 15%,t he ma x imu m r a d ia l t emper a t u r e d iffer enc e is 3.4 C a nd 1.8 C,r espec t ivel y.When t he d ia met er of t he c a b l e b od y c ha nges fr om 97 mm t o 600 mm,t he u neven d ist r ib u t ion of t emper a t u r e in t he c r oss-sec t ion of t he c a b l e b od y inc r ea ses ob viou sl y,a nd t he r a d ia l t emper a t u r e d iffer enc e c ha nges t o 9.0C?whic h is u nfa vor a b l e t o t he st r u c t u r a l st r ess.The t her ma l c ond u c t ivit y a nd spec ific hea t收稿日期：2021-12-13；修订日期:2022-03-17基金项目:黑龙江省重点研发计划指导类项目(GZ20220124)第一作者:刘兴国(1985)，男，黑龙江哈尔滨人,副教授，博士，主要从事桥梁工程方面的研究。E-ma il：305457174 qq.c om 通信作者:黄 巍(1977)，女，黑龙江伊春人,副教授，博士，主要从事桥梁损伤加固方面的研究。E-ma il：13351019987 163.c om 12重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷c a pa c it y of st eel wir e a nd ex t er na l a nt i-c or r osion ma t er ia l s ha ve l it t l e effec t on t he r a d ia l t emper a t u r e d iffer enc e b et ween t he t wo ou t er sid es of t he st eel wir e insid e t he su spension r od,a nd t he ma x imu m r a d ia l t emper a t u r e d iffer enc e is 1.3 C a nd 1.0 C,r espec t ivel y.Key wor d s：b r id ge engineer ing；b r id ge su spend er；t emper a t u r e t est；finit e el ement a na l y sis;t emper a t u r e fiel d?sensit ivit y a na l y sis在正常工作状态下,桥梁承受着太阳辐射、季节 性气候变化、极端天气、昼夜温差等环境因素的影 响。这些因素的共同作用会导致桥梁结构产生复杂 多变的温度分布，并引起难以忽略的温度应力和变 形。索体结构作为组合拱、斜拉桥及悬索桥的主要 受力构件,通常由内部高强钢丝、外包防腐橡胶两种 材料构成。不同材料的热工参数差异会导致索体温 度场更为复杂(即因温度场变化规律及分布形式不 同，会出现温度分布不均匀、温差差异过大等情况,从而导致索体内力分布不均衡)，因此开展索体结构 的温度效应分析具有十分现实的意义句。笔者基于高寒地区50年的气象数据，对某座系 杆拱桥中的吊杆结构进行温度场测试试验，获取了 吊杆温度场随气温变化的结果;基于热传导理论建 立了索体温度场有限元分析模型，分别对气象参数、吊杆材料热工参数、内部钢丝孔隙率及杆体直径参 数等影响因素进行了数值分析，获得了影响吊杆温 度场敏感性的主次因素及程度,为同类结构内力计 算及控制提供参考和依据。1依托工程概况及温度试验研究1.1工程概况笔者所依托的工程区域位于黑龙江齐齐哈尔 市,该地区气候特点为夏季温热，日照长;冬季严寒,日照短。试验桥为三跨预应力混凝土系杆拱桥，纵 向跨径组合为40 m+60 m+40 m；该桥为刚性系杆刚 性拱，拱轴线采用二次抛物线;桥梁轴线与地理正东 方向间夹角为27；该桥吊杆结构内部为环氧涂层高 强钢丝,外包P ES(FD)防腐索体，两端设置了可偏 摆的球较装置锚固体系；该桥的吊杆分别为P ES(FD)7-109 W P ES(FD)7-91型。桥梁纵向总体布外层HDP E缠绕包带内层HDP E图2 PES(FD)型吊杆构造示意 Fig.2 Structure of PES(FD)suspender1.2吊杆温度测试点布置笔者主要针对吊杆横断面温度场进行观测。在 吊杆横断面中心、外包防腐层的内侧及外侧表面共 布置5个温度测点来获得实测温度数据，编号为测 点15；在测试日温度变化时,始终保证吊杆横断面 测点4朝向日出方向。现场测试吊杆布置在中跨跨 中断面，距桥面高度3 m,保持良好的通风和日照。现场吊杆温度测试构件及吊杆横断面温度测点布置 如图3。表木卅杆内部温度测点 表示吊杆表而温度测点图1桥梁整体纵断面（单位:m）Fig.1 Overall profile view of the bridge图3吊杆温度测点布置Fig.3 Arrangement of temperature measurement pointsfor suspender1.3温度