广州珠江黄埔大桥铺装层厚度设计中的温度场模拟分析.pdf

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第28卷第1期 2 0 0 8年2月 中 外公路 139 文章编号:1671--2579(2008)Ol—0139一03 广州珠江黄埔大桥铺装层厚度设计中 的温度场模拟分析 于宝海,杨胜强。孙燕 (中国矿业大学,江苏徐州221008) 摘要:根据钢箱梁桥面铺装层热传递的特点,利用一维非稳态导热数学模型,求解出铺 装层温度场分布的数值解。通过对不同厚度的铺装层温度场对比分析结果表明,广州珠江黄 埔大桥采用环氧沥青混凝土厚度为55 nlm的铺装方案,对铺装层整体耐高温和稳定性,以及 整桥的温度乎衡与热量散逸更为有利。 关键词:铺装层厚度I温度场;数值计算 近些年来,钢桥面铺装层的高温稳定性一直是公 路界研究的热点。与普通沥青混凝土路面相比,由于 钢结构桥体热容性较差,桥面铺装层在夏季更容易发 生热侵害问题。 广州珠江黄埔大桥地处亚热带海洋性季风气候 区,日照时间长,常年气温较高。据交通部公路科学研 究所对广东肇庆马房大桥铺装层的试验研究结果,夏 季钢桥表面最高温度可达70℃以上,铺装层存在高温 稳定性不足的问题。因此,为保证广州珠江黄埔大桥 铺装层设计满足高温稳定性的要求,有必要对不同铺 装厚度的铺装层温度场进行模拟分析。 1铺装层热侵害与热传递数学模型 1.1铺装层结构及热侵害原因 如图1所示的钢箱梁桥面铺装结构,铺装层由钢 板,上、下铺装层,防水粘结层等构成。 田1钢箱梁桥面铺装结构示意围 收稿日期:2007一06一Ol 作者简介:于宝海,男,硕士.E--mail·ybhai(园sina.COrn 根据该铺装层结构形式,分析铺装层夏季受到热 侵害的热量来源,主要是铺装上层接受太阳强辐射以 及与周围大气进行对流换热获得的热量。另外,由于 封闭钢箱体中的空气对铺装层同时产生保温作用,也 是使得铺装层保持高温发生热侵害问题的重要原因。 1.2铺装层热传递数学模型 由于太阳辐射热随着太阳与地面的相对位置而变 化,同时周围大气温度也随时间发生变化,因此桥面铺 装层温度场以及箱体内的空气温度均随时间改变,是 典型的非稳态传热现象。 为了对铺装层温度分布进行模拟计算,现对钢箱 梁桥体的热传递分析作如下简化假定: (1)对桥体的传热只考虑太阳辐射和与周围环境 的对流换热。 (2)不考虑行车对桥体热传递的影响。 (3)不考虑桥体对大气及天空的辐射散热。 (4)忽略钢箱内骨梁及隔板的导热。 (5)由于粘结层及钢板底漆厚度远小于铺装层厚 度,因此可以忽略其热阻。 (6)考虑到桥梁的长度和宽度远大于铺装层厚 度,铺装层内的热量传递认为是沿铺装层深度方向的 一维非稳态传热。 因此,铺装层热传递数学模型可以采用下式描述: 万方数据 140 电 外 公路 28卷 ∞薯字孔鼍≯,j=l厄3 ㈣ 初始条件: t(x,o)一厶(z),歹=1,2,3 (2) 边界条件: 一At老L CtoETo(r)一则,r)ko (3) 一.;I。老I。。。2at[“L,r)一T1(r)],》o (4) 式中:彩,cj,屯分别为第歹层铺装材料的密度、比热和 导热系数;口。为桥面与大气的对流换热系数;口.为钢 板与钢箱内空气的对流换热系数;To为桥面大气综合 温度;丁1为钢箱内空气温度;厶(z)为铺装材料第歹层 初始温度;L为铺装层总厚度(包括钢板,ram)。 2铺装层温度场分布的数值计算 对式(1)采用隐式差分格式离散,则铺装层内部节 点的差分方程为: (1+2R)£p1一R(£2}+£譬})一露 (5) 式中:i,k为空间节点和时间节点;凡为网格傅利叶 数,F面一pjjc丝JAx2;Ax,Ar分别为空间步长和时间 步长。 对上边界,应用热平衡法写出其隐式差分格式节 点方程为: ^譬h(∥叫¨)=“丁Ax· £P1一t: △r (6) ·即:(1+2BijF面+2凡)瑶+1—2F西(磋+1+ BijT3+1)一才,J=l (7) 式中:Bi.,为网格比渥数,Bi,=丝。 ‘lpi 同理,得到下边界隐式差分格式节点方程: (1+2Bi,F巧一2R)£P1+2R(f苎}--BiiT:+1)= 砖,j=3 (8) 联合式(5)、(7)、(8),从k一0时刻开始,采用迭代 法,可求得铺装层内温度场的分布。 3数值计算结果及分析 3.1计算参数的选取 各材料的热物性参数:密度(融)、比热(勺)、导热系 数(A,)等,根据参考文献[2]、[3]选得。大气环境温度 及太阳辐射强度选用大桥所在地点地面气象站的测量 数据。另外,桥面与大气对流换热系数、钢板与钢箱梁 内的空气对流换热系数由参考文献E33、[43选得。相 关计算参数的取值见表l。 表1计算参数取值 注;①桥面与大气对流换热系数[w/(m2·℃)]:10(白天)/ 14(夜间);②钢板与箱内空气对流换热系数 [W/(m2·℃)]:5;③桥面吸收系数:0.9 3.2温度荷载的施加 由于气象站所提供的太阳辐射热和地面大气温度 均为整点时刻的实测值,考虑到模拟计算过程的精确 性和方便性,选取计算时间步长为1 h,同时把太阳辐 射引起的热流密度换算到气温中去,从而得到桥面大 气综合温度,并最终将综合温度施加到铺装层上进行 模拟计算。 另外,根据参考文献E53、E63的研究结果,桥面铺 装层在早上6:00时铺装层内的温度较稳定,各层材料 温度与外界气温很接近。因此,模拟计算初始条件选 用凌晨6:00时的地面大气气象温度值。 3.3计算结果分析 根据边界条件、初始条件及施加荷载方法和表l 所提供的计算参数,利用Matlab计算软件进行计算。 由于计算结果较多,本文仅列出2种不同厚度铺装层 的温度场计算结果,其温度分布见图2~5。 图2沥青混凝土厚度为65咖, 12:00时铺装层的温度场分布 万方数据 1期 广州珠江黄埔大桥铺装层厚度设计中的温度场模拟分析 141 足 型 赠 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 时间 图3沥青混凝土厚度为65姗。 7:∞~19:00时铺装层的温度分布 足 魁 赠 进一步对比铺装层温度分布还可看出,当采用环 氧沥青混凝土铺装厚度为65 mm时,铺装表面与底面 最高温度分别约为62℃和40℃,两者差值达到了22 ℃;而采用环氧沥青混凝土铺装厚度为55 mm时,铺 装表面与底面最高温度分别约为59℃和44℃,两者 仅相差15℃,并且表面温度下降了3℃。因此,可以 看出增加铺装层厚度虽然较有利于减轻铺装下层遭受 热侵害的问题,但同时也对铺装上层提出了更高的抗 高温能力的要求,而且由于铺装层厚度的增大也会使 得桥体总热阻增大,不利于整个桥体的温度平衡与热 量散逸。 通过上述分析可知,由于广州珠江黄埔大桥地处 亚热带,常年气温较高,若采用环氧沥青混凝土厚度为 65 mm的铺装方案则铺装上层在夏季更容易出现高 温稳定性不足的问题,同时也给整个钢箱梁桥体的温 度平衡与热量散逸带来一定的负面影响。因此,相比 润扬大桥、南京长江二桥等同类桥梁所处的气候条件 及铺装层设计厚度,建议采用环氧沥青混凝土厚度为 55 mm的铺装方案。 另外,目前环氧沥青混凝土价格较昂贵,而且铺装 层施工工艺复杂且条件苛刻,增加铺装层厚度也需要 增加很大的铺装成本。 图4 沥青混凝土厚度为55 mill。 12:00时铺装层的温度场分布4 结论 8:OU lO:00 12:OO 14:00 16:OO 18:OO 时间 图5沥青混凝土厚度为55咖. 7:∞~19:00时铺装层的温度分布 分析图2~5可知,铺装层表面、层间及底面温度 曲线变化形式基本一致,且最高温度均出现在12:Oo ~13:oo点左右,温度滞后现象不明显。同时模拟结 果显示,铺装层表面温度波动幅度最大,底面温度波动 幅度最小,铺装层层间温度更加接近于底层温度,因此 充分说明钢箱梁对铺装层具有明显的保温作用。 (1)根据铺装层内的温度场分布可知,铺装层表 面、层间及底面温度曲线变化形式基本一致,且温度滞 后现象不明显。 (2)由于铺装层表面温度波动幅度最大,底面温 度波动幅度最小,而铺装层层间温度更加接近于底层 温度,因此,可以充分说明钢箱梁对铺装层具有明显的 保温作用。 (3)采用环氧沥青混凝土厚度为65 mm时的铺 装方案,对铺装上层提出了更高的抗高温能力的要求, 而且也会使得桥体总热阻增大,不利于整个桥体的温 度平衡与热量散逸。 (4)对比润扬大桥、南京长江二桥等同类桥梁所 处的气候条件及铺装层设计厚度,建议采用环氧沥青 混凝土厚度为55 mm的铺装方案。 参考文献: Ell章熙民,任泽霈,等.传热学[M].北京:中国建筑工业出 版社,1985. 万方数据 142 中 外公路 第28卷第1期 2 0 0 8年2月 文章编号:1671—2579(2008)Ol—0142一05 1 前言 混凝土箱梁桥面铺装结构温度场有限元分析 李辉1,陈翱2。黄晓明1。高 英1 (1.东南大学,江苏南京210096;2.常州市东方建设监理有限公司) 摘 要:该文针对桥面结构的简化模型,利用傅里叶传热定律建立桥面铺装结构体系温 度场的二维计算模型,根据当地气象条件确定边界条件及初始条件,采用ABAQUS有限元 软件求解,建立了一种桥面铺装层温度场的数值计算方法。通过计算得出桥面结构的温度分 布及变化情况,并求出了桥面结构不同部位的变温速率.在正确掌握气象条件及材料的热物 性参数条件下,采用该方法,可以为混凝土箱梁沥青桥面铺装结构温度应力和抗裂等进行计 算分析,方便地预测其二维温度场. 关键词:道路工程;桥面铺装层;温度场,ABAQUS有限元分析 目前,国内外许多学者对道路温度场进行了研究, 取得了大量的成果。但对桥面铺装温度场方面研究的 相关文献涉及相对较少。由于桥面结构完全处在自然 环境的影响中,经受着持续变化的大气影响,如太阳辐 射、天空辐射及外界气温的影响,太阳辐射与天空辐射 的一部分从桥面铺装层表面被反射,余下部分被吸收 并转变为热能。这部分热能与外界气温相叠加,由此 产生可观的桥面温度,从而产生热传导,主要为沿桥面 厚度传向温度较低处,而由于在一天内不断变化的表 面温度,就产生了不稳定的瞬态温度场。确定桥面结 构的温度场,最直接的方法是在各地广泛地进行桥面 温度实地观测,这种实测工作必须在全国范围内有代 表性的地区进行,然而即使全年进行这种实测,遇到极 端温度的可能性也很小,并且需要耗费大量的人力、物 力和时间。笔者基于傅里叶传热定律,建立桥面铺装 结构体系温度场的二维计算模型,模拟了太阳辐射量 的热变化过程,运用有限元理论,根据桥梁结构所处的 地区,借助标准气象资料,确定桥面温度场边界条件及 初始条件,用ABAQUS软件对桥面铺装层的温度场 进行数值求解,进而依此可以方便地进行与温度相关 的温度应力及抗裂等的计算分析。解决了大量的人 力、物力和时间的耗费问题。 2模型简化及温度场分析相关理论 2.1模型简化及假设条件 混凝土箱梁沥青桥面结构的横断面(对称半幅)如 崇※黼※鬻鬻崔料{|÷寨*眯{j∈鬻黼豢鬻崇睾*÷_II}{jHj}枞黼黼黼÷瞵蔫瞵崇睾荣鬻睾睾黼料料豢豢料*瞵※豢黼黼睾睾※鬻料崇书{j}_jj∈■瞵黼豢毫黼※鬻料料黼料黼料料黼_jj÷毒鬻鬻 [2]P.Kettil,B.Lenhof,K.Runesson,N.一E.Wiberg. [5]李洪涛,黄卫.润扬大桥钢桥面铺装实桥试验研究口]. Simulation of Inelastic Deformation in Road Structures 公路交通科技,2005(4). Due tO Cyclic Mechanical and Thermal Loads,Computers [6]吉林.润扬长江公路大桥建设[M].北京:人民交通出 and Structures,2007(85):59~70. 版,2005. [3]兰中秋,何川,等.钢箱梁桥SMA沥青路面温度场的数 [7]李洪涛,黄卫.润扬大桥钢桥面铺装设计[J].公路, 值模型[J].重庆大学学报,2003(6). 2006(4). [4]逯彦秋,张肖宁,等.钢箱梁桥沥青混凝土铺装层温度场的 [8]黄卫.大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法[M].北 模拟分析D].沈阳建筑大学学报(自然科学版)。2006(5). 京;中国建筑工业出版社,2006. 收稿日期:2007--05--21 作者简介:李辉,男,硕士研究生.E—mail:willyseu(孕163.corn 万方数据
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