山区复杂环境大跨度桥梁主缆温度场效应及影响研究

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1、山区复杂环境大跨度桥梁主缆温度场效应及影响研究第一章绪论1.1概述悬索桥是以受拉主缆为主要承重构件的桥梁结构，现代的悬索桥多采用高强度镀锌平行钢丝作为主缆，主缆支撑在桥塔上，并锚固在主缆两端的销旋处。为便于施工安装和锚固，主缆高强度镀梓平行钢丝通常被分成索股进行架设，一般是先由（p5inm左右的镀梓钢丝组成钢丝索股，然后再由若干根钢丝索股组成一根主缆，主缆截面一般挤紧成圆形，然后缠以柔质钢丝捆扎，并进行外部涂装防腐。图1.1为悬索桥主缆一般构造图。在施工阶段，主缆为裸索状态，在成桥阶段主缆表面则具有防护构造。主缆在不同的状况下受热形式将具有明显的差异。但无论施工

2、阶段或成桥运营阶段，因太阳辖射、环境温度变化，主缆都将日夜或终年周而复始地与周围环境进行热交换形成自身温度场改变，从而发生不均匀的热伸长或缩短，悬索桥的线型、结构受力和结构变形也将受到温度效应的影响。按照传热学理论，主缆与环境的热交换、主缆自身温度场三维分布和变化的速率与许多因素有关，包括：主缆及防护构造的热物性特性（表观热传导系数、表观热容量)、主缆的表面状况（表面积、灰度、吸收比等）、主缆的空隙率、主缆与大气的温差、大气的流动状态（自然对流或强制对流)、输入输出热量的性质(热福射或热传导)、太阳辖照量和天气状况等有关。由于这些因素中的许多具有时变性和随机性，

3、使得主缆中的温度场分布和变化异常的复杂和不确定，也使桥梁工程上进行悬索桥主缆温度效应准确计算变得很困难，通常很难精确地确定温度效应对悬索桥施工、悬索桥受力和悬索桥安全性的影响程度。因此，很有必要幵展对大跨度悬索桥主缆温度场及其效应的研究。..1.2国内外研究现状关于桥梁结构温度场及其效应的研究在最近几十年得到了快速发展，最早技术人员是以温度变化产生的均勾温度分布为依据进行桥梁结构的受力分析，随后才逐步建立起温度梯度的概念，即不均勾温度分布。例如，美国Zuk研究了由气象资料估计桥梁温度分布，指出气温、风、太阳福射和材料种类都会影响桥梁的温度分布，并导出了结合梁顶、

4、底面之间的最大温差的近似方程，继而在进行实桥观测的基础上，用线性温度分布，分析了结合梁的温度应力。后期，随着试验研究工作的进展，人们认识到沿结构内部温度分布是非线性的。70年代初，德国的达姆斯塔特大学污工结构研究所对跨越美茵一万塞尔铁路的高架公路桥作了温度量测。英国的Emerson曾用平均温度和最大温度的气象资料定出桥梁的温度范围和相应的位移，美国的Huni和Cooke,J.H.Euel发表了组合梁中的温度分布，与此同时，英、美、日等国也对实桥进行现场观测工作。国内对温度分布的试验研究起步于50年代末。先是铁道部大桥工程局对实体桥壤温度分布作了调查分析，此后随着

5、大跨度桥梁的兴建，如红水河铁路斜拉桥，九江长江大桥等，桥跨结构的温度试验研究才系统展开。且温度及温度应力的研究在理论上取得了一定进展，建立了简明的实用计算式，并纳入了国家铁路规范。现阶段，关于悬索桥主缆的温度场及其效应研究国内外才刚开始，根据国内外相关方面研究论文的分析，目前见到的关于悬索桥主缆温度场研究资料很少。.第二章主缆模型热物性参数实验研究2.1热物性参数实验测试基本理论根据传热学理论和前述悬索桥主缆温度场及效应研究思路可知，当需要确定悬索桥主缆或任何实际结构温度场时，前提条件是需要首先掌握实际结构的表观热物性参数，即采用国外的研究成果或通过模型试验的方

6、法测定主缆各种状况下的表观热物性参数，然后根据边界条件，求解主缆热传导非稳态微分方程或采用数值分析的方法计算主缆的有限元模型。由于计算模型与实际主缆之间的传热学等效是本研究项目的关键问题之一，故需要通过模型试验结果确定计算模型的参数取值，以得到与实际主缆结构等效的计算模型，这也是热物性参数模型试验的意义所在。主缆结构作为一种不规则的各向异性的材料，给其热物性参数的测试带来较大的困难，在具体试验时需要对其进行一定的简化处理，如把主缆结构模型等效为相同大小的圆柱体，而采用表观（等效）的热物性参数对其进行分析。具体的测试可采用稳态法和瞬态法两种方法进行。假设主缆模型为

7、理想圆柱体，截面材料为勾质各向同性材料，如图所示，截面半径为R。将一根直径很小的金属导线置于初温为To的主缆正中间。然后通电加热，其热流（电功率）q=I2R(I为电流，R为电阻)。于是在主缆中形成了以加热导线为轴心的长圆柱体稳态温度场，如图2.1所示。.2.2主缆模型及加热和测温系统由于主缆的热物性参数与结构构造密切相关，为了得到实际结构的热物性性质，需要准确真实的模拟主缆的组装成型，得到与实桥一致的主缆模型结构，这也是模型试验相似的基本要求。为了达到这一目的，在组装主缆模型时需要保证空隙率与实桥或规范规定一致，钢丝排列顺序与实际一致，为了研究不同直径对主缆热物

8、性参数的影响，试验制作了