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箱梁的温度应力分析

摘要：温度应力是箱梁裂缝的主要成因之一，在瞬态热分析的基础上，结

合实测的箱梁各接触表面（顶板、底板和腹板、箱内）全天各时刻的温度作为分

析的边界条件，采用ANSYS进行热传导分析推导出箱梁竖向温度梯度曲线，并

将其引入ANSYS中建立实体模型计算对象桥梁的温度反应，最后与规范规定的

温度梯度作了对比。

关键词：温度应力；瞬态热分析；温度梯度；热力学分析

0概述

对于箱梁桥来说，温度应力是其产生裂缝的主要原因之一，桥梁所承受

的的温度荷载通常分为以下三种：日照温度荷载、骤然降温温度荷载和年温度变

化温度荷载。日照温度荷载的变化主要是受太阳辐射作用的影响，然后是大气温

度变化影响和风速的影响；骤然降温温度荷载变化主要是气候环境的突然降温和

昼夜交替所形成内高外低的温度分布；年温度变化温度荷载则是指由于四季交替

所产生的温度变化[1]。

基于温度应力计算在箱梁桥受力分析中的重要性和上面所述的复杂性，

目前的桥梁规范在计算箱梁的温度应力时多是采用经验的温度梯度曲线来计算

模拟箱梁的最不利温度反应，这种方法虽然操作简单，但是其精准度和适用范围

带有一定的局限性，而有限单元法在温度场分析中的运用和发展使准确分析箱梁

的温度反应成为现实，本文即采用大型通用有限元软件ANSYS对箱梁进行瞬态

分析，并在此基础上分析箱梁的温度应力和规范进行比较，以期找到准确计算模

拟箱梁温度反应的方法。

1箱梁二维温度场的瞬态热分析

处于大气环境里面的桥梁，受到太阳辐射热的影响，并时刻与周围的各

种介质发生对流，同时在其本身内部产生热传导的过程，所以其结构内的温度分

布是时刻发生变化的，是一个瞬态量。因此为了计算模拟桥梁的温度反应，必须

预先知道待分析桥梁在某一固定时刻的温度分布情况。待分析桥梁在某一固定时

刻的温度分布包括桥梁的纵向不同截面的温度差异和截面内的二维温度分布情

况。通过上述的分析看出，对于大跨径箱梁来说，其温度场分布应包括桥梁的纵

向温度分布和横截面内的二维温度分布，由于太阳和地球之间的距离同桥梁长度

比起来非常遥远，在桥梁纵向长度范围内可以看成是太阳光平行直射，因此可以

在纵向范围内近似将不同横截面的温度分布取为一样，仅分析在横截面内的二维

温度分布。

1.1二维温度场热传导方程

根据瞬态热分析中的二维温度场固体热传导微分方程，箱梁横截面内在

不存在内热源时的热传导微分方程为[2]：

（1）

式中：为混凝土平面内的质量密度（kg/m2）；

为混凝土的瞬时温度（℃）；

为温度场变化的时间参数（）；

为混凝土比热（）；

为混凝土导热系数（）；

，为平面内的点的坐标（）。

虽然式1已经建立起了横截面内的温度与时间、平面位置的关系，但是

该方程的解有无穷多个，其本身并不能唯一确定横截面的温度分布情况。因此必

须在微分方程中引入初始条件和边界条件，才能求出箱梁的确定温度分布情况。

1.2边界条件

在温度场分析中常见边界条件主要分为三类：

第一类边界条件是己知结构边界上的温度或温度函数：

（2）

第二类边界条件是已知结构边界上的热流密度：

（3）

第三类边界条件是己知与物体边界互相接触的介质的温度和换热系数：

（4）

式中：为介质温度（℃），为换热系数（℃）

1.3初始条件

初始条件是指在分析的时间段开始时平面内的每一点的温度初始值，即

初始的截面内温度分布情况：

（5）

2温度梯度分析

太阳照射是影响箱梁温度梯度的最重要的因素。本文采用大型通用有限

元软件ANSYS建立二维模型来分析箱梁截面的温度梯度，将箱梁各接触表面（顶

板、底板和腹板、箱内）全天各时刻的温度作为分析的边界条件，计算每一时刻

所选取横截面的温度场分布情况。本文主要选取待研究箱梁桥的跨中截面和支座

截面作为温度场分析截面，再将求得的温度梯度作为体荷载施加于有限元实体模

型计算温度反应。图1为实际测得的夏季各时刻某箱梁各接触表面温度变化情况

[1]。

合适的热力学参数才能使箱梁温度温度梯度的分析得到准确的