环境温度作用下拱桥温度—结构耦合场问题研究

论文摘要

桥梁周围环境温度作用包括太阳辐射作用、空气对流作用以及长波辐射作用等,环境温度变化导致结构温度场发生变化,结构在温度梯度作用下产生温度变形和温度应力,经研究这种温度效应可与外荷载产生的效应相当,是导致混凝土拱桥运营期间产生裂缝的重要原因之一。又因为环境温度效应具有多学科交叉性、多物理场耦合性等特点,因此在混凝土拱桥承载能力的研究中,此类课题一直是中外学者关注的重点和难点。在环境温度作用下,对于梁式直线桥梁来说,一般可以近似认为纵向温度分布一致,因此中外学者多采用一维或二维模型进行温度场分析。但拱桥作为空间结构桥梁的主要代表桥型,在同时考虑桥梁几何形状、地理位置、桥梁方位、遮盖作用以及气象条件等诸多复杂因素之后,温度场沿横向、纵向和竖向具有明显差异,且随时间变化。基于以上原因,本文应用大型通用有限元软件ANSYS结合其强大的APDL编程功能,建立考虑空间方位的拱桥有限元模型,根据传热学、普通天文学、计算机图形学等多学科交叉理论,采用温度-结构耦合场分析方法,利用三维瞬态有限单元法对上承式拱桥的环境温度效应进行全面系统分析。本文主要研究内容：1.结构热传导机理及温度-结构耦合算法研究。经分析,温度-结构耦合问题属于单向耦合问题,可以先单独计算结构温度场,再采用时间差分的方法,将结构温度场以边界条件的形式施加到结构上进行结构应力分析；2.根据太阳与地球之间的空间关系,确定不同日期、不同时刻、不同地理位置太阳高度角和方位角矩阵。通过ASHRAE晴空模型,确定任意表面太阳辐射强度大小；3.应用计算机图形学原理,编制基于APDL的遮盖算法子程序,并应用遮盖算法判断拱肋是否受拱上主梁遮盖,以此确定不同时刻拱桥热传导边界条件,这是本文的创新点；4.为提高大型结构有限元计算的效率,采用层合壳单元模拟混凝土非线性温度场。经验证采用这种方法可以有效地模拟混凝土结构的非线性温度场,并大大节省计算时间,这也是本文的创新点；5.根据实桥所处的地理位置、太阳天文参数以及三维有限元模型,建立了采用ASHRAE晴空模型和遮盖算法计算拱桥温度场的流程框架,并编制参数化计算程序。计算结果表明,拱上建筑的遮盖作用对拱肋温度场的影响很大,使得箱型拱肋温度场各个方向都是不均匀的；拱桥温度场随时间变化,在下午三四点钟时达到最大值,并且拱肋顶板上下表面最大温差达到18.513。C,横向温差达到13。C,同时讨论了不同方位、不同纬度、不同日期对拱桥温度场的影响；6.在遮盖作用的影响下拱顶位移出现沿横桥向不均匀拱起的现象；由于温度变形导致拱桥产生扭矩,致使拱脚拉应力过大。由此可推断出拱桥温度裂缝多发生在拱脚处,在进行桥梁常规检查时,拱脚是主要排查位置。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 混凝土箱型拱桥温度问题发展概括
• 1.1.1 箱梁温度问题
• 1.1.2 拱桥温度问题
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概括
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 拱桥太阳辐射计算
• 2.1 太阳辐射理论和计算模型
• 2.1.1 太阳天文参数
• 2.1.2 太阳辐射计算模型
• 2.2 遮盖算法
• 2.2.1 求交算法
• 2.2.2 提取单元位置数据
• 2.2.3 程序流程图
• 2.3 小结
• 第三章 温度-结构耦合场问题解决方法
• 3.1 概述
• 3.2 温度场理论
• 3.2.1 热传导过程
• 3.2.2 热对流过程
• 3.2.3 热辐射过程
• 3.2.4 导热微分方程式的定解条件
• 3.3 温度应力有限元方法
• 3.4 多场耦合场分析方法
• 3.5 小结
• 第四章 三维空间拱桥温度效应模型的建立
• 4.1 上承式箱型拱桥有限元模型
• 4.1.1 ANSYS简介
• 4.1.2 有限元模型单元选择
• 4.1.3 全桥几何模型
• 4.1.4 上承式拱桥材料模型
• 4.2 温度场边界条件
• 4.2.1 太阳辐射作用
• 4.2.2 热对流作用
• 4.2.3 长波辐射作用
• 4.2.4 周围大气温度模拟
• 4.2.5 箱梁内部综合换热系数
• 4.2.6 水温模拟
• 4.2.7 温度场分析流程图
• 4.3 温度场初始条件
• 4.4 太阳辐射模型及光线追踪算法验证
• 4.5 小结
• 第五章 三维空间拱桥温度效应分析
• 5.1 拱桥各部分温度场分析
• 5.1.1 实桥温度场分析
• 5.1.2 不同角度
• 5.1.3 不同纬度
• 5.1.4 不同日期
• 5.2 箱型拱桥全桥温度效应分析
• 5.2.1 位移分布
• 5.2.2 拱脚反力
• 5.3 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢