运营期预应力混凝土箱形桥梁的温度效应分析

The prestressed concrete box girder bridges in operation commonly appear temperature cracks on their girders. This project analyzes the thermal effects of concrete bridge structures. By health monitoring of a prestressed concrete box-girder bridge, the physical data such as temperature , state parameters such as structural strain, acceleration are observed. Fast and efficient data mining is operated to reduce the amount of data redundancy, then the significant static and dynamic parameters of the structure are identified, and the correlation analysis of temperature, strain, and vibration frequencies of the bridge is performed. Then, a prestressed concrete box-girder bridge finite element model (FEM) is built for simulation analysis, and to obtain three-dimensional temperature distribution and time history. Through the FEM applied with environmental temperature load, the static and dynamic properties are analyzed and their trend is predicted . Finally, experiment models of prestressed the concrete box-girder bridge are established to execute the temperature load test. Based on the FEM and experiment models, the damage model of the prestressed concrete box-girder bridge under thermal effects are built, and with the damage coupling effect the residual service life is predicted. This research project approaches relatively comprehensive theoretical and testing basis for the prestressed concrete bridge under thermal effects.

本项目针对预应力混凝土箱形桥梁结构在运营状态下，普遍出现温度裂缝的情况，分析桥梁结构的温度荷载效应。首先，通过对某预应力混凝土箱形桥梁结构进行健康监测，获得大量温度等物理监测数据，以及结构应变、加速度等状态参数。通过对大量监测数据冗余处理，进行快速有效的数据挖掘，识别出有重要意义的静动力参数，分析温度与桥梁结构应变、模态参数间的相关性。然后，建立环境时变温度荷载作用下的预应力箱型桥梁有限元模型，进行仿真分析，得到不同温度荷载下的三维温度分布图及温度时程。通过该结构的环境温度荷载有限元模型，分析模型的静动力特性，预测变化趋势。最后，建立预应力混凝土箱梁实验室模型，施加温度荷载试验。基于有限元及实验室模型，确立温度荷载作用下预应力混凝土箱梁的损伤模型，给出损伤耦合作用下预应力混凝土箱型梁桥的剩余寿命预测方法，为预应力箱形桥梁的温度效应分析获得较为全面的理论及实测数据基础。

本文以山东某大跨预应力钢筋混凝土刚构-连续箱型桥梁为工程背景，在其结构内部安装了大量的光纤光栅温度及应变传感器和一系列加速度传感器，长期实时在线监测结构内部温度、应变和结构的整体模态，并在此基础上研究了箱梁桥温度场的变化规律，温度变化时混凝土箱梁截面的应变以及该桥自振频率随温度的变化规律；建立该桥的三维有限元计算模型，并用有限元软件ANSYS模拟了寒潮出现时的箱梁桥温度场变化及对应的温度效应。首先研究分析温度传感器实测数据发现，上游幅桥的底板和腹板受日照的影响程度较小，其整体的温度变化趋势主要是随季节而改变；受日照温度影响最大的位置是箱梁的顶板，且每刻的温度均明显高于其他位置。上下游顶、底板受日照温差的影响差不多，而上下游腹板由于该桥是南北走向的，故同一处所受日照辐射的不同而存在温差。当竖向高度相同时，桥梁的温度分布不因纵向位置的不同而改变。并用最小二乘法对下游幅桥边跨跨中顶板与底板温差概率密度进行拟合。其次对实测应变进行了分析，得到桥梁箱梁的底板压应力大于顶板压应力；另外，测得相同截面位置同高度处上游幅桥的顶板、腹板与底板压应变均大于下游幅桥，并且该桥梁箱梁上游截面应力曲线波动更剧烈；应变与温度的变化趋势一致，但具有滞后性。对模态频率分析，发现该桥频率的日相对差值可达1%左右，半年内的最大相对差值可达4.38%；频率和温度可以近似简化认为具有线性关系。最后，用有限元软件ANSYS模拟寒潮来袭的三种工况， 将寒潮温度骤降做为环境温度激励，研究该过程桥梁箱型截面的瞬态温度分布；获得结构频率时程、不同截面处的挠度变化、以及截面内部各关键点的应力变化规律。挠度最大的是主跨跨中，在48小时降温20℃的工况下最大能达到1.93cm。寒潮作用下箱梁的顶板和底板上应力变化最大的是纵向应力，竖向应力基本不变。寒潮作用下前十阶模态48小时的相对差值的最大值可在降温20℃的工况下达到0.56%，由模拟数值可以看出1阶模态频率与温度具有负相关性。