鐵路PC 連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)分析

張立巖(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250014)

1 混凝土溫度荷載的特點(diǎn)及分類

混凝土結(jié)構(gòu)的溫差應(yīng)力，實(shí)際上是一種約束應(yīng)力。當(dāng)結(jié)構(gòu)物由于溫度變化產(chǎn)生的變形受到約束時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力，即稱為溫差應(yīng)力[1]。

1.1 溫差應(yīng)力的特點(diǎn)

1)它與一般荷載應(yīng)力不同，出現(xiàn)應(yīng)變小而應(yīng)力大或應(yīng)變大而應(yīng)力小的情況，但是伯努力的平面變形假定仍然適用。溫差應(yīng)力與平面變形后所保留的溫度應(yīng)變和溫度自由應(yīng)變差成正比。

2)由于混凝土結(jié)構(gòu)的溫度荷載沿壁板厚度或高度方向的非線性分布，故截面上溫度應(yīng)力的分布具有明顯的非線性特點(diǎn)。

3)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度分布是瞬時(shí)變化的，所以在結(jié)構(gòu)中的溫度應(yīng)力也是瞬時(shí)變化的，且具有明顯的時(shí)間性。

1.2 溫差荷載的分類

1）日照溫度變化：工程結(jié)構(gòu)物的日照溫度變化很復(fù)雜，影響因素眾多，主要有以下幾個(gè)方面：太陽(yáng)的直接輻射、天空輻射、地面反射、氣溫變化、風(fēng)速以及地理緯度、結(jié)構(gòu)物的方位和壁板的朝向、附近的地形地貌條件等。因此，工程結(jié)構(gòu)物由于日照溫度變化引起的表面和內(nèi)部溫度變化，是一個(gè)隨機(jī)變化的復(fù)雜函數(shù)。從工程的角度考慮，可以從大量的實(shí)測(cè)資料分析中，得出以下結(jié)論：在結(jié)構(gòu)物所在地的地理緯度、方位角、時(shí)間及地形條件確定的情況下，影響結(jié)構(gòu)日照溫度變化的主要因素是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、氣溫變化和風(fēng)速。

2）驟然降溫溫度變化：一是工程結(jié)構(gòu)物在強(qiáng)冷氣流的侵襲作用下，使結(jié)構(gòu)外表面迅速降溫，結(jié)構(gòu)物中形成內(nèi)高外低的溫度分布狀態(tài)，二是日照降溫，由于日落等因素致使結(jié)構(gòu)外表面溫度迅速下降，此時(shí)，結(jié)構(gòu)物內(nèi)表面溫度幾乎沒有什么變化，形成較大的內(nèi)高外低的溫差狀態(tài)。這兩種降溫溫度變化，一般只要考慮氣溫變化和風(fēng)速這兩個(gè)因素。

3）年溫溫度變化：由于年溫變化所引起的結(jié)構(gòu)物溫度變化，因其是長(zhǎng)期的緩慢作用，使得結(jié)構(gòu)物整體發(fā)生均勻的溫度變化。

2 混凝土箱梁橋溫度效應(yīng)

1）線形變化。在這種溫差變化下，箱梁結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生撓曲變形，而且變形后梁仍然符合平截面假定。對(duì)靜定結(jié)構(gòu)，線性變化的溫度梯度只引起結(jié)構(gòu)的位移而不產(chǎn)生溫度次內(nèi)力，而在超靜定結(jié)構(gòu)中，因多余約束的存在，它不但引起結(jié)構(gòu)的位移，還產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度次內(nèi)力。

2）非線性變化。而非線性溫差分布，對(duì)靜定結(jié)構(gòu)，由于梁變形后要保持平截面假定，故溫差引起的纖維伸長(zhǎng)會(huì)相互約束，從而產(chǎn)生縱向約束應(yīng)力，這部分在截面相互平衡的約束應(yīng)力稱為溫度自約束應(yīng)力（簡(jiǎn)稱溫度自應(yīng)力）；對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)，除了溫度自應(yīng)力外，還應(yīng)考慮多余約束阻止結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的溫度體系約束內(nèi)力所引起的溫度體系約束應(yīng)力（簡(jiǎn)稱溫度次應(yīng)力）。

3 工程概況

本文以莞惠城際軌道交通工程跨律涌水道特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃摌蛑鳂驗(yàn)?50 ＋80 ＋50)m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，梁體形式為單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。全橋箱梁頂寬11.6m，箱梁底寬5.86m；端支座處及邊跨直線段和跨中處梁高為3.5m，中支點(diǎn)處梁高6.0m。采用懸臂澆注法施工。設(shè)計(jì)活載采用0.6UIC 荷載圖式值作為橋梁設(shè)計(jì)的列車豎向活載。該大橋計(jì)算模型圖見圖1。

圖1 計(jì)算模型圖

4 溫度荷載作用下主梁的內(nèi)力和變形分析

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，結(jié)構(gòu)溫度變化：體系溫度根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛏郎夭捎?0℃，降溫采用15℃。全橋模型單元數(shù)為112，主梁截面及各材料的參數(shù)均按照設(shè)計(jì)要求輸入，計(jì)算時(shí)體系合攏溫度取值20℃。

以下計(jì)算結(jié)果分析中，符號(hào)規(guī)定如下：軸力：拉為正，壓為負(fù)；彎矩：上緣受拉為負(fù)，下緣受拉為正；應(yīng)力：拉為正，壓為負(fù)；撓度：向上撓為正，向下為負(fù)。

4.1 不同溫度場(chǎng)的有限元對(duì)比分析

在日照溫差計(jì)算模式時(shí)，選取5 種不同的溫度場(chǎng)，其規(guī)范特征值T 見表1。

表1 規(guī)范特征值T

?

對(duì)不同的溫度梯度模式按照對(duì)應(yīng)規(guī)范施加溫度梯度荷載，進(jìn)行有限元分析，計(jì)算主梁各主要截面的溫度應(yīng)力和變形，結(jié)果見表2-表3。

由表2-表3 可以看出，不同溫度梯度模式所產(chǎn)生的溫差效應(yīng)差別比較大。舊規(guī)范即《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 023-85)所采用的頂板均勻升、降5℃的溫度模式計(jì)算復(fù)雜的溫度場(chǎng)是不理想的。對(duì)于無碴軌道箱梁，頂板的溫度梯度超過10℃，梁頂和梁底溫差可達(dá)20℃，且箱梁內(nèi)的溫度具有明顯的滯后性，所以按照舊規(guī)范計(jì)算的溫度應(yīng)力和位移值偏小。其它幾種規(guī)范對(duì)日照升溫或驟然降溫采用了不同的溫度梯度模式，溫度應(yīng)力明顯大于舊規(guī)范。

由表2-表3 還可以看出，中國(guó)現(xiàn)行鐵路規(guī)范和中國(guó)現(xiàn)行公路規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較接近。升溫模式下，三跨連續(xù)梁邊跨上撓，中跨下?lián)?，降溫模式下相反；升溫模式下，主梁除了邊跨附近，箱梁上緣承受壓?yīng)力，下緣承受拉應(yīng)力。

4.2 溫度不均勻變化對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，考慮整體升溫20℃和整體降溫15℃兩種情況，全橋進(jìn)行空間有限元分析。圖2-圖4 為整體升溫和整體降溫作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計(jì)算結(jié)果。

表2 不同溫度梯度模式下主要截面應(yīng)力(單位:MPa)

表3 不同溫度梯度模式下主要截面位移(單位:mm)

圖2 整體升溫和整體降溫作用下主梁位移

圖3 整體升溫和整體降溫作用下主梁上緣應(yīng)力

圖4 整體升溫和整體降溫作用下主梁下緣應(yīng)力

由圖2-圖4 可以看出，箱梁結(jié)構(gòu)整體升溫20℃，除支點(diǎn)截面附近外，主梁中跨和邊跨均表現(xiàn)為上拱，但中跨上拱值較大，跨中上拱最大值達(dá)到3.5mm，邊跨上拱最大值為0.5mm；整體降溫15℃，除支點(diǎn)截面附近外，中跨和邊跨均表現(xiàn)為下?lián)?，中跨跨中下?lián)献畲笾颠_(dá)到-1.3mm，邊跨下?lián)献畲笾禐?.2mm。整體升溫20℃和降溫15℃所產(chǎn)生的箱梁截面應(yīng)力較小，上緣應(yīng)力最大值為-0.44MPa(升溫20 度)，發(fā)生在支點(diǎn)截面，下緣應(yīng)力最大值為-0.54MPa(升溫20 度)，發(fā)生在跨中截面；邊跨距梁端30m 范圍內(nèi)，箱梁上緣升溫時(shí)受拉，降溫時(shí)受壓， 支點(diǎn)截面附近升溫時(shí)受壓，降溫時(shí)受拉，跨中截面位置附近，升溫時(shí)受拉，降溫時(shí)受壓；箱梁下緣應(yīng)力變化情況與之相反。

5 結(jié)語

1)不同規(guī)范的溫度梯度模式，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力和變形影響結(jié)果差別較大，故在進(jìn)行大跨度橋梁施工控制中，須密切監(jiān)測(cè)截面的溫度梯度，以便過濾溫度對(duì)橋梁線形的影響。

2)我國(guó)公路橋梁舊規(guī)范(JTJ023-85)采用比較單一的溫度模式，所得到的溫度梯度引起的應(yīng)力和位移值是偏于不安全的，我國(guó)現(xiàn)行的鐵路規(guī)范和公路規(guī)范計(jì)算結(jié)果比較接近，且與其它兩種國(guó)外規(guī)范差別不大，說明我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范溫度梯度模式在設(shè)計(jì)中是偏于安全的。

3)升溫模式下，溫度梯度作用產(chǎn)生的梁底拉應(yīng)力在中跨跨中和附近截面上較大，在支點(diǎn)截面較小，而梁頂壓應(yīng)力在跨中截面和支點(diǎn)截面都較大。

4)在考慮主梁結(jié)構(gòu)整體升溫時(shí)，邊跨和中跨均表現(xiàn)為上拱，整體降溫時(shí)，表現(xiàn)為下?lián)希幌淞荷?、下緣?yīng)力值較小。

[1]杜拱辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1988.

[2]邵旭東，李立峰，鮑衛(wèi)剛．混凝土箱形梁橫向溫度應(yīng)力計(jì)算分析．重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000.19(4)：5-10.

[3]盧文良，季文玉，杜進(jìn)生．鐵路混凝土箱梁溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)．中國(guó)鐵道科學(xué)，2006.27(6)：49-53．

[4]劉興法．混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析．北京：人民交通出版社，1991．

[5]佘小年，方志，汪劍．大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的溫度效應(yīng)．公路，2003(11)：135-138．