混凝土箱梁温梯曲线的Abaqus实现以及热耦合应力

关键词： Abaqus；混凝土箱梁；温度梯度曲线；热力耦合

桥梁结构长期暴露在自然环境中，在我国幅员辽阔、复杂多变的地形及气候环境下容易产生各种不利于结构安全性及耐久性的问题。箱梁之于其他常见桥梁截面，具有更加复杂的温度变化模式。相较于全部暴露在大气环境中的I型和T型梁，箱梁的内外表面具有明显不同的日照温度场，两者相互耦合，共同作用；相较于Π型梁，日照作用下箱梁内部空腔的初始温度场以及底板的约束条件会影响两侧腹板的温度应力分布；相较于矩形梁，箱梁的长翼缘在日照下会对腹板产生遮蔽效应，导致腹板温度分布出现不同变化。

由于温度场的地域差异以及气候环境的差别，各国制定的温度梯度曲线很难形成统一，本节即针对国内和国外不同的温度梯度曲线进行Abaqus的有限元实现和热耦合应力分析。

【模型信息】箱梁截面尺寸信息如下图所示，混凝土节段取1m，混凝土强度等级为C60。热膨胀系数取1×"1" "0" ^"-5" ℃^"-1"，比热容取"960" J/(kg⋅℃)，导热系数取2.2" W/(m⋅℃)。后输入不同分段的温梯表达式，以美国和中国公路桥规、英国BS5400规范、中国铁路桥规和新西兰桥归为例。具体温度表达式可自行查阅相关规范，此处不再赘述。

图1混凝土箱梁尺寸图（单位：cm）

图2美国公路桥规和中国公路桥规温梯曲线

图3英国BS5400规范温梯曲线

图4中国铁路桥规温梯曲线

图5 新西兰桥梁规范温梯曲线

【常数设置】在热分析的步骤基础上另存一个模型Model-2，右键点击填写模型关键字，为其中物理常数中的Stefan-Boltzmann常数和绝对零度设置相应值。

图6 模型关键常数设置

【热力顺序耦合分析】模型Model-2设置静力通用分析步，在场变量输出中增加NT节点温度输出，在Load模块将上述温度梯度的温度场结果文件分别插 进预应力场中。

图7 预应力场变量设置

图8 ABAQUS热-力耦合分析流程图

【温度应力结果对比】将各温度梯度产生的应力云图指标进行对比分析如下图所示。

图9美国公路桥规和中国公路桥规 图10英国BS5400规范

图11中国铁路桥规 图12新西兰桥梁规范

由上图可以清楚地看到，相较于多段折线形的温梯模式（美国公路桥规和中国公路桥规、英国BS5400规范），曲线型的温梯曲线（中国铁路桥规和新西兰桥梁规范）应力分布呈现出不同的特征，主要是顶板中部的最大应力带状区域有所扩大，相比之下，两侧哑铃型的最大应力区域面积有所减少。同时，最大应力和峰值温度呈现明显的正相关，新西兰桥规下的峰值温度为32℃，最大峰值应力为6.37MPa；英国BS5400规范下的峰值温度仅有13.5℃，峰值应力仅为2.9MPa。

接下来，我们提取各规范下的竖向温度和应力曲线进行对比分析。

图13 节点mises应力曲线

由上图可知，各国规范下的峰值应力与峰值温度成正比，在腹板与顶板交界处Mises应力会出现一定程度的突变，英国BS5400规范由于规定了底板温差，导致其底板应力相较于其他规范应力增大。

【注】本文进行实体模型较为复杂，文中并未展示完全相关的技巧设置，例如单元切割、温度公式的具体设置等。针对不同表面所设置的公式都不尽相同，需要通过计算和经验结合确定。