特大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥温度效应研究

论文摘要

混凝土桥梁结构在太阳辐射、气温变化等因素的影响下,会在截面上产生非线性的温度分布,从而引起温度应力和温度位移。桥梁结构中的温度应力可与活载产生的应力相当,成为混凝土桥开裂的重要原因,因此受到广泛的重视。设计中往往采用过于简化的计算模型和温度荷载,而且现行规范中的温度分布模式均以成型箱梁为基准,且于成桥后施加。而本文研究的钢管混凝土劲性骨架拱桥的混凝土拱圈在施工时采用横向分环的方法逐步浇筑形成组合截面,其日照模式和结构体系与成桥后的箱型结构均不同。因此有必要进行专门的研究。本文首先根据太阳物理学和传热学的有关理论,分析了混凝土拱圈温度边界的影响因素,将日照辐射、与周围环境的辐射换热及对流换热的影响均等效成空气介质温度的升高。其次,忽略沿桥轴线纵向的热传导,利用ANSYS软件建立了成型拱圈截面的温度场模型,施加空气介质综合温度作为温度边界,进行温度场的有限元数值模拟,并将数值模拟结果与现行规范对比；之后,利用温度场数值模拟结果,建立了平面应变单元模型和空间梁单元模型,分别分析了成型后拱圈横向温度应力和纵向温度应力及温度引起的拱圈变形。此外,还对比了有钢管骨架和无钢管骨架两模型的计算结果,分析了钢管骨架对温度场和温度应力分布的影响。最后,根据该拱桥的施工方法,建立了各施工阶段对应的温度场和温度应力计算模型,得出了各施工阶段的最不利应力分布。并针对分析结果,提出了相应的防开裂措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 钢管混凝土劲性骨架拱桥发展概况
• 1.2 桥梁温度效应计算理论概况
• 1.3 课题背景
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 温度效应有限元计算理论
• 2.1 引言
• 2.2 有限差分法和有限元法
• 2.3 热传导基本理论
• 2.3.1 导热偏微分方程
• 2.3.2 傅里叶定律
• 2.3.3 定解条件
• 2.4 温度场分布的有限元计算理论
• 2.4.1 有限单元法基本方程
• 2.4.2 单元的划分和温度插值函数
• 2.4.3 温度插值函数
• 2.4.4 单元变分计算
• 2.4.5 单元的总体合成
• 2.5 温度应力的有限元计算方法
• 2.5.1 位移函数
• 2.5.2 应变与应力
• 2.5.3 有限元基本方程
• 第三章 温度场影响因素及边界条件
• 3.1 引言
• 3.2 桥梁结构的热平衡系统
• 3.3 太阳辐射
• 3.3.1 太阳直接辐射
• 3.3.2 天空散射
• 3.3.3 太阳辐射和天空散射的反射
• 3.4 与周围环境的辐射换热
• 3.4.1 大气逆辐射
• 3.4.2 地表环境辐射和逆辐射的反射
• 3.4.3 桥梁结构构件本身的辐射
• 3.5 对流换热
• 3.6 构件的反射系数和吸收系数
• 3.7 热交换系数
• 3.8 大气温度
• 3.9 温度场初始条件
• 3.10 温度场边界条件
• 3.10.1 拱圈顶板外表面
• 3.10.2 拱圈底板外表面
• 3.10.3 腹板外表面日照部分
• 3.10.4 腹板外表面阴影部分
• 3.10.5 拱圈内表面
• 3.11 小结
• 3.11.1 参数取值
• 3.11.2 温度场边界计算结果
• 第四章 拱圈成型阶段温度效应分析
• 4.1 引言
• 4.2 ANSYS热分析简介
• 4.2.1 温度场分析
• 4.2.2 温度应力分析
• 4.3 计算模型及计算理论
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 温度场计算原理
• 4.3.3 温度应力计算原理
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 收敛情况
• 4.4.2 温度场计算结果
• 4.4.3 截面沿高度方向的温度场分布
• 4.4.4 截面沿宽度方向的温度场分布
• 4.4.5 温度应力
• 4.4.6 拱圈变形
• 4.4.7 劲性骨架的影响
• 第五章 施工阶段温度效应分析
• 5.1 引言
• 5.2 计算模型和计算理论
• 5.3 计算结果
• 5.4 结论
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献