關(guān)鍵詞： Abaqus；混凝土箱梁；溫度梯度曲線；熱力耦合

橋梁結(jié)構(gòu)長期暴露在自然環(huán)境中，在我國幅員遼闊、復(fù)雜多變的地形及氣候環(huán)境下容易產(chǎn)生各種不利于結(jié)構(gòu)安全性及耐久性的問題。箱梁之于其他常見橋梁截面，具有更加復(fù)雜的溫度變化模式。相較于全部暴露在大氣環(huán)境中的I型和T型梁，箱梁的內(nèi)外表面具有明顯不同的日照溫度場，兩者相互耦合，共同作用；相較于Π型梁，日照作用下箱梁內(nèi)部空腔的初始溫度場以及底板的約束條件會(huì)影響兩側(cè)腹板的溫度應(yīng)力分布；相較于矩形梁，箱梁的長翼緣在日照下會(huì)對腹板產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)，導(dǎo)致腹板溫度分布出現(xiàn)不同變化。

由于溫度場的地域差異以及氣候環(huán)境的差別，各國制定的溫度梯度曲線很難形成統(tǒng)一，本節(jié)即針對國內(nèi)和國外不同的溫度梯度曲線進(jìn)行Abaqus的有限元實(shí)現(xiàn)和熱耦合應(yīng)力分析。

【模型信息】箱梁截面尺寸信息如下圖所示，混凝土節(jié)段取1m，混凝土強(qiáng)度等級為C60。熱膨脹系數(shù)取1×"1" "0" ^"-5" ℃^"-1"，比熱容取"960" J/(kg?℃)，導(dǎo)熱系數(shù)取2.2" W/(m?℃)。后輸入不同分段的溫梯表達(dá)式，以美國和中國公路橋規(guī)、英國BS5400規(guī)范、中國鐵路橋規(guī)和新西蘭橋歸為例。具體溫度表達(dá)式可自行查閱相關(guān)規(guī)范，此處不再贅述。

圖1混凝土箱梁尺寸圖（單位：cm）

圖2美國公路橋規(guī)和中國公路橋規(guī)溫梯曲線

圖3英國BS5400規(guī)范溫梯曲線

圖4中國鐵路橋規(guī)溫梯曲線

圖5 新西蘭橋梁規(guī)范溫梯曲線

【常數(shù)設(shè)置】在熱分析的步驟基礎(chǔ)上另存一個(gè)模型Model-2，右鍵點(diǎn)擊填寫模型關(guān)鍵字，為其中物理常數(shù)中的Stefan-Boltzmann常數(shù)和絕對零度設(shè)置相應(yīng)值。

圖6 模型關(guān)鍵常數(shù)設(shè)置

【熱力順序耦合分析】模型Model-2設(shè)置靜力通用分析步，在場變量輸出中增加NT節(jié)點(diǎn)溫度輸出，在Load模塊將上述溫度梯度的溫度場結(jié)果文件分別插進(jìn)預(yù)應(yīng)力場中。

圖7 預(yù)應(yīng)力場變量設(shè)置

圖8 ABAQUS熱-力耦合分析流程圖

【溫度應(yīng)力結(jié)果對比】將各溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力云圖指標(biāo)進(jìn)行對比分析如下圖所示。

圖9美國公路橋規(guī)和中國公路橋規(guī) 圖10英國BS5400規(guī)范

圖11中國鐵路橋規(guī) 圖12新西蘭橋梁規(guī)范

由上圖可以清楚地看到，相較于多段折線形的溫梯模式（美國公路橋規(guī)和中國公路橋規(guī)、英國BS5400規(guī)范），曲線型的溫梯曲線（中國鐵路橋規(guī)和新西蘭橋梁規(guī)范）應(yīng)力分布呈現(xiàn)出不同的特征，主要是頂板中部的最大應(yīng)力帶狀區(qū)域有所擴(kuò)大，相比之下，兩側(cè)啞鈴型的最大應(yīng)力區(qū)域面積有所減少。同時(shí)，最大應(yīng)力和峰值溫度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)，新西蘭橋規(guī)下的峰值溫度為32℃，最大峰值應(yīng)力為6.37MPa；英國BS5400規(guī)范下的峰值溫度僅有13.5℃，峰值應(yīng)力僅為2.9MPa。

接下來，我們提取各規(guī)范下的豎向溫度和應(yīng)力曲線進(jìn)行對比分析。

圖13 節(jié)點(diǎn)mises應(yīng)力曲線

由上圖可知，各國規(guī)范下的峰值應(yīng)力與峰值溫度成正比，在腹板與頂板交界處Mises應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一定程度的突變，英國BS5400規(guī)范由于規(guī)定了底板溫差，導(dǎo)致其底板應(yīng)力相較于其他規(guī)范應(yīng)力增大。

【注】本文進(jìn)行實(shí)體模型較為復(fù)雜，文中并未展示完全相關(guān)的技巧設(shè)置，例如單元切割、溫度公式的具體設(shè)置等。針對不同表面所設(shè)置的公式都不盡相同，需要通過計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)結(jié)合確定。