通风孔影响下混凝土箱梁桥温度场与温度应力研究结题摘要

混凝土箱梁的温度作用效应直接影响了公路混凝土箱梁桥的安全性。统计资料和研究表明，公路桥梁混凝土箱梁某些部位裂缝是由于温度作用而产生的，其原因是缺乏在系统观测数据上对混凝土箱梁温度场的深入研究。本研究旨在公路混凝土箱梁桥温度场的实际观测基础上深入研究并完善混凝土箱梁温度场的理论与计算方法。主要研究内容和成果如下： 对陕西，江苏，江西等地域的大跨径公路桥预应力混凝土连续箱梁进行了的温度与应变连续观测，根据观测的数据，系统地研究了混凝土箱梁温度场随时间的变化规律。测试日照辐射、大气降温等不同气象条件下，混凝土箱梁周围风速，辐射等环境变量作用下混凝土箱梁温度场的变化规律。 采用系统聚类分析与非参数统计方法对混凝土箱梁日最大竖向温差进行了研究，结果表明，对于使用阶段具有100mm沥青铺装层的混凝土箱梁，最大正温差在夏季服从于W(8.5360, 3.6658)的Weibull分布，在冬季服从W(3.9760, 2.5202)的Weibull分布。相应温差可以用weibull分布表示。 通过流固耦合方法建立空间有限元模型对不同气象条件下混凝土箱梁桥的温度场和应力场进行了研究，得到了不同作用下温度场与温度应力的计算模式。进行了不同模式下应力分析。结果显示，采用保温措施后，得到的箱梁混凝土应力值会变小。 2100433B

暴露在自然环境中的混凝土箱梁桥存在非稳态温度场，由此引起的过大温差会使混凝土箱梁开裂。本研究开展基于CFD理论的通风孔影响下混凝土箱梁与空气流固耦合传热特性研究，分析混凝土箱梁的温度场与温度应力。.首先建立带通风孔的混凝土箱梁实验模型，研究日照辐射、大气降温等不同气象条件下，混凝土箱梁内外风速、风压等流场矢量与温度场的变化规律。其次基于CFD理论与有限体积法，建立带通风孔的混凝土箱梁与内外空气的流固耦合传热模型，确定不同气象条件下箱梁内外气体的湍流模型，得到混凝土箱梁内外气体的自然对流特性与箱梁瞬态温度场分布。然后改变通风孔设计参数，研究箱梁与内外空气热交换规律的改变。再利用有限元方法，分析混凝土箱梁在不同温度场下的应力响应。最终提出以有效降低温度应力为指标的通风孔优化设计方法。研究成果将丰富并创新混凝土箱梁桥裂缝控制与设计理论，对我国混凝土箱梁桥的裂缝控制工作具有重要的实用价值。

内容简介

《严寒地区大体积混凝土温度场变化规律研究与实践》从理论和实践两方面系统地总结了严寒地区大体积混凝土温度场变化规律与保温混凝土温度场的计算方法及保温防裂技术措施，结合工程实际监测资料，遵循从实践到理沦再到实践的思路，系统研究了严寒地区大体积混凝土温度场变化规律、混凝土热学参数变化规律、气温对混凝土温度场的影响、寒潮对混凝土温度的影响、越冬期间混凝土温度降幅的估算、保温材料选择及实例，具有较强的指导性和实用性。

《严寒地区大体积混凝土温度场变化规律研究与实践》可供从事大体积混凝土结构设计、施工及管理的技术人员使用，也可供有关院校师生及相关领域的科研人员参考。2100433B

钢-混凝土组合桥梁温度场和温度效应的研究对保证组合桥梁的安全性和耐久性具有重要意义。本项目对组合桥梁的温度场和温度效应展开研究，重点开展了模型试验、数值模型开发、温度荷载极值分析等工作，取得的主要研究成果如下： （1）设计一组组合箱梁桥节段的温度场试验，分别在室内采用烤灯辐射和在室外进行日照辐射。通过温度传感器和应变计测量了试件的温度场和温度应变，并对不同条件下的试件温度分布进行归纳总结。提出了组合桥日照温度场的三种不利温度分布模式。 （2）建立了组合桥日照温度场精细分析的理论模型，并在通用有限元软件ABAQUS平台开发实现，其中太阳辐射和遮挡效应的模拟通过UFLUX子程序二次开发实现。通过对温度场试验和已有文献中的试验数据进行检核，验证了精细数值模型的准确性和可靠性。 （3）在平截面假定基础上推导了桥梁截面二维温度场的分解公式。以标定后的精细数值模型为基础进行广泛的参数分析，讨论了季节、桥梁朝向、桥梁几何尺寸、沥青铺装层等对组合桥日照温度场的影响，确定了组合桥梁最不利温度效应的参数组合。 （4）为提高计算效率，开发了组合桥日照温度场的高效数值模型，并采用数值计算软件Matlab编程实现。通过与精细日照温度场数值模型的对比，验证了高效数值模型的准确性和效率。提出了组合桥日照温度场的两种竖向温度分布模式对应的简化公式。 （5）引入极值理论，建立了由地区气候统计资料计算组合桥设计温度荷载的计算框架。在此框架下，计算了我国主要城市的50年一遇的温度荷载数值，并绘制了我国组合桥的温度荷载取值的区域分布图。 （6）对典型三跨连续组合直线梁桥和曲线梁桥的温度效应进行了算例研究，并对曲线组合梁桥针对温度效应的支座布置方式进行了优化。 （7）在包括桥梁、隧道、建筑等多项工程中，直接应用了项目所发展的温度效应计算理论和方法。 2100433B

太阳辐射、气温等环境因素的改变将在桥梁结构中产生显著的温度变化和不可忽略的温度应力，对桥梁设计的安全性和耐久性有重要影响。由于钢和混凝土材料热工参数的差异，钢-混凝土组合结构桥梁的温度场具有自身的特点，采用基于混凝土桥梁温度场理论的温度荷载来计算组合桥的温度响应可能存在较大偏差。本项目计划采用数值模拟、理论推导、模型试验和实桥测试等方法对钢-混凝土组合桥的温度场和温度效应进行研究。首先，建立可反映组合桥梁特征的温度场及结构响应数值模拟平台，得到桥梁的典型温度分布模式。其次，分别在实验室条件和实际桥梁环境下进行温度场测试和温度效应试验，获得的数据可对数值模型进行标定和检验。最后，基于可靠度理论和不同区域的气象特征提出可供设计使用的组合桥梁温度荷载模型，分析多类组合桥的温度响应特征。本项目成果有助于更准确合理认识组合结构桥梁的温度分布模式和结构响应机理，并可供工程设计参考。