客運專線連續(xù)箱梁豎向溫差取值探討

寇延春

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

客運專線連續(xù)箱梁豎向溫差取值探討

寇延春

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司,武漢 430063)

為研究客運專線箱梁豎向溫差荷載對結(jié)構(gòu)受力的影響,對比分析美國、英國、日本及中國四種不同橋梁規(guī)范給定的非線性日照溫度曲線,結(jié)合3跨變截面連續(xù)箱梁實例,計算不同橋梁規(guī)范非線性日照溫度下結(jié)構(gòu)截面的溫度應(yīng)力,表明我國鐵路規(guī)范規(guī)定的溫差荷載對結(jié)構(gòu)使用階段受力影響相對較大。結(jié)合我國客運專線橋梁結(jié)構(gòu)實際情況,考慮橋面軌道結(jié)構(gòu)對橋面溫差的折減效應(yīng),提出我國客運專線箱梁橋豎向溫差選取的建議。

客運專線;連續(xù)箱梁;溫差荷載;鐵路規(guī)范;結(jié)構(gòu)分析

1 概述

在客運專線無砟軌道連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)中,橋面豎向溫差對橋梁結(jié)構(gòu)受力和變形影響顯著。我國現(xiàn)行《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.3—2005)[1](以下簡稱“鐵路規(guī)范”),僅給出有砟和無砟無枕的箱梁結(jié)構(gòu)日照溫差分布圖,有砟箱梁不考慮梁高方向的溫差荷載,無砟無枕箱梁考慮梁高和梁寬方向的溫差荷載;沒有給出客運專線無砟有板情況下橋面豎向溫差荷載的計算模式。由于客運專線箱梁無砟軌道板對橋面溫度的影響,采用現(xiàn)行鐵路規(guī)范無砟有枕箱梁溫差模式計算與結(jié)構(gòu)實際溫差應(yīng)力明顯不符,現(xiàn)階段對于客運專線箱梁橋結(jié)構(gòu)如何選取日照溫差、降溫溫差及由此計算箱梁溫度應(yīng)力,還缺乏系統(tǒng)深入的研究。

結(jié)合某連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程,根據(jù)現(xiàn)行我國鐵路規(guī)范,通過對國內(nèi)外幾種規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度模式的計算和分析,比較橋面梯度溫度對橋梁結(jié)構(gòu)影響的差異,提出我國客運專線箱梁橋豎向溫差選取的建議。

2 客運專線橋梁橋面布置

我國客運專線橋梁大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)、無砟軌道。典型雙線橋面布置如圖1所示。

圖1 典型橋面布置(單位:cm)

橋面寬度13.4 m,防護墻外側(cè)至欄桿內(nèi)側(cè)寬1.7 m,防護墻內(nèi)側(cè)凈寬9.4 m;橋面兩側(cè)設(shè)置人行道板及遮板;防護墻內(nèi)側(cè)設(shè)置無砟軌道板及其基座,每塊軌道結(jié)構(gòu)寬2.4～2.8 m,與頂板混凝土剛性連接,其余部位僅設(shè)置橋面防水層和保護層,厚度6 cm。

選取工程實例(70+125+70)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為研究對象。全長266.5 m,跨中及邊支點處梁高5.2 m,中支點處梁高采用9.2 m;箱梁橋面寬13.4 m,箱梁底寬8.2 m。箱梁頂板厚0.50 m,中支點附近局部頂板厚0.65 m。底板厚度由跨中的488.5 cm,按圓曲線變化至中支點根部的107.5 cm。箱梁采用直腹板,腹板厚0.45～0.65～85 cm,中支點附近腹板局部加厚至1.5 m,C55混凝土。箱梁橫斷面見圖2。

圖2 箱梁橫斷面(單位:cm)

計算參數(shù):二期恒載155.7 kN/m,相鄰兩支點不均勻沉降差均不大于2.0 cm;錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6%計算,管道摩阻系數(shù)取0.23,管道偏差系數(shù)取0.002 5;松弛損失、收縮徐變及其他各項損失均按鐵路規(guī)范計算。設(shè)計合龍溫度取16～20℃,均勻溫差按升降溫20℃。

計算模型:計算采用平面有限元理論建立全橋有限元模型進行計算分析,共劃分為90個單元,結(jié)構(gòu)計算簡圖見圖3,計算中對于曲線溫度梯度模式,采用多點擬合的方法進行模擬,折線型溫度模式按規(guī)范規(guī)定計算。

圖3 梁體結(jié)構(gòu)計算簡圖

3 不同規(guī)范箱梁溫差模式的比較

3.1 國內(nèi)外規(guī)范箱梁溫差模式

由于不同國家和地區(qū)溫度變化較大,選取與我國基本同緯度地區(qū)的美國、英國(歐洲)、日本等進行比較。

(1)美國AASHTO規(guī)范,溫差分布沿梁高按折線變化,如圖4所示。

圖4 美國AASHTO規(guī)定的溫差梯度模式(單位:mm)

圖中h表示梁高,當(dāng)h≥400 mm時,A=300 mm;當(dāng)h＜400 mm時,A=h-100 mm。T3的取值小于3℃,在沒有進行確切的現(xiàn)場調(diào)查的情況下可取為0。負溫度值應(yīng)取為圖中表格中的規(guī)定值乘以-0.5。

(2)英國BS5400規(guī)范,正負溫差梯度模式如圖5所示。

圖5 英國橋規(guī)BS5400規(guī)定的溫差梯度模式

歐洲結(jié)構(gòu)規(guī)范EN1991—1—1:2004,關(guān)于溫度作用部分的規(guī)定基本上沿用了英國規(guī)范BS5400的體系,采用的豎向溫度模式與英國規(guī)范BS5400所規(guī)定的相同。

(3)日本規(guī)范:日本道路橋梁設(shè)計標準,關(guān)于豎向溫度梯度的規(guī)定,在混凝土結(jié)構(gòu)中溫度變化的范圍,根據(jù)不同地區(qū)的平均氣溫確定。一般情況下,限度升降可分別采用15℃。根據(jù)橋面板和其它部分的溫度差計算斷面內(nèi)的應(yīng)力時,溫差以5℃為標準;溫度分布在橋面和其它部分內(nèi)分別認為是均勻的。

(4)中國鐵路規(guī)范:日照溫差荷載,有砟箱梁只考慮沿梁寬方向的溫差荷載,無砟無枕箱梁應(yīng)分別考慮沿梁高方向的溫差荷載和兩個方向的組合溫差荷載。箱梁沿梁高、梁寬方向的溫差曲線為指數(shù)函數(shù)(圖6),可按下式計算

式中 Ty、Tx——計算點Y處的溫差,以℃計;

T01、T02——箱梁梁高方向或梁寬方向的溫差,以℃計,

y、x——計算點至箱梁外表面的距離,以m計;

a——僅考據(jù)豎向溫差,取5。

降溫溫差荷載,箱梁沿頂板、外腹板板厚溫差曲線的指數(shù)a采用14,相應(yīng)T0采用-10℃。

3.2 溫差模式比較

綜合表1及溫差圖示可以看出:(1)正溫差梯度模式中,美國AASHTO規(guī)范和英國BS5400規(guī)范均為雙折線模式,日本規(guī)范為頂板矩形均勻分布模式,而我國鐵路規(guī)范是以自然對數(shù)e為底的指數(shù)曲線模式; (2)美國AASHTO規(guī)范和英國BS5400規(guī)范給出了豎向負溫差模式,且均為雙折線,英國BS5400規(guī)范明確考慮了梁底溫差;日本規(guī)范則不考慮降溫溫差;(3)中國鐵路規(guī)范橋面豎向溫差特征值介于美國規(guī)范和英國規(guī)范之間,但豎向日照升溫溫差影響高度最大,降溫溫差影響高度較小;(4)由于底板終年不受日照,底板內(nèi)外表面的溫度變化也較小,美國、日本和中國鐵路規(guī)范均略去底板微小溫度變化的影響。

圖6 中國鐵路規(guī)范箱梁溫差分布

表1 各規(guī)范溫差模式比較

3.3 計算結(jié)果分析

橋面采用素混凝土鋪裝,按各規(guī)范規(guī)定溫差值進行計算比較,梁部其余計算參數(shù)取值相同,升溫作用下控制截面應(yīng)力值及撓度計算結(jié)果見表2、表3。

表2 升溫作用下截面應(yīng)力值MPa

表3 升溫作用下?lián)隙戎祄m

計算結(jié)果表明:(1)豎向溫差荷載對主梁應(yīng)力影響較大,但不同國家規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度模式差異較大;(2)對溫差效應(yīng)影響較大的因素為溫度梯度的特征值和溫度梯度的非線性形式,特征值較大的溫度梯度產(chǎn)生的撓度和應(yīng)力均相對較大;(3)我國鐵路規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式的計算結(jié)果升溫時上緣壓應(yīng)力介于美國AASHTO規(guī)范和英國BS5400規(guī)范之間,下緣拉應(yīng)力較大,但與美國AASHTO規(guī)范基本一致,說明豎向溫差高度增大對溫差應(yīng)力影響增大;(4)我國鐵路規(guī)范升溫作用下中跨跨中截面下緣產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力,且跨中撓度值最大;日本規(guī)范計算截面上緣壓應(yīng)力值最小。

3.4 合理溫差模式分析

現(xiàn)行我國鐵路規(guī)范對有砟箱梁不考慮梁高方向的溫差荷載,對于無砟無枕箱梁考慮梁高和梁寬方向的溫差荷載,但沒有給出無砟有板情況下橋面豎向溫差荷載的計算模式。由于客運專線箱梁軌道板對溫度的折減效應(yīng),采用鐵路規(guī)范無砟有枕箱梁的溫差計算得到的箱梁橋溫度應(yīng)力偏大,與結(jié)構(gòu)實際溫差應(yīng)力不符,造成箱梁部分指標難于控制,甚至造成結(jié)構(gòu)材料的浪費和結(jié)構(gòu)受力的影響。因此,筆者認為現(xiàn)階段箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應(yīng)合理考慮橋面結(jié)構(gòu)對溫差的折減效應(yīng)。

4 客運專線箱梁豎向溫差取值

4.1 豎向溫差的取值

我國客運專線無砟軌道板有3種類型:Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板,無論是雙塊式還是板式,軌道板結(jié)構(gòu)最小高度0.43 cm,軌道板最小寬度2.4 m,占防護墻內(nèi)側(cè)總寬度的51%,防護墻外側(cè)人行道分別設(shè)置了電纜槽和遮板、欄桿等,箱梁頂板實際直接承受日照溫差的橋面有效寬度已不足50%。根據(jù)鐵路規(guī)范日照溫差公式,特征值分別選取升溫10～20℃計算溫差對梁體作用效應(yīng),如圖7所示。

圖7 不同溫差作用下梁體應(yīng)力值

從圖7可以看出,溫差對梁體產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng),隨著溫差特征值的增大基本呈線性變化,梁體上緣應(yīng)力在14℃時,上緣壓應(yīng)力為4.5 MPa左右,與英國BS5400規(guī)范基本接近;梁體下緣拉應(yīng)力在支點處較小,在跨中截面下緣產(chǎn)生約1.4 MPa拉應(yīng)力,略大于日本規(guī)范,但小于美國AASHTO規(guī)范。綜合國外橋梁規(guī)范,考慮我國客運專線橋面軌道結(jié)構(gòu)遮蓋以及混凝土的傳熱遞作用,同時考慮一定的安全儲備,認為箱梁橋面豎向溫差按14℃取值,即規(guī)范值的0.7倍進行縱向計算較為合理,修正后的豎向溫差仍以指數(shù)曲線表示截面豎向溫度梯度[10],即日照溫差Ty=14e-5y,降溫差公式為Ty=7e-14y,與英國BS5400規(guī)范溫差特征值基本一致,但更偏于安全。

4.2 橋梁設(shè)計計算結(jié)果對比

實際工程實踐中,由于對箱梁豎向溫差模式缺乏研究,往往根據(jù)經(jīng)驗取值計算。一般在有砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)中,主跨大于64 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,偏安全起見考慮了頂板5℃的局部溫差,與日本道路橋梁設(shè)計標準基本類似;無砟軌道考慮頂板受太陽直接照射的影響,頂板局部溫差按8℃計算,多年來運營實踐表明,采用上述經(jīng)驗值進行結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)是可靠的。

采用規(guī)范溫差、經(jīng)驗溫差和本文建議的修正豎向溫差,分別計算箱梁運營階段的截面正應(yīng)力、主應(yīng)力以及撓度,主力+附加力工況下計算結(jié)果對比見表4。

表4 截面應(yīng)力及撓度計算結(jié)果比較

計算結(jié)果表明:(1)本文建議的修正豎向溫差模式,上緣最大壓應(yīng)力和下緣拉應(yīng)力分別介于規(guī)范值和經(jīng)驗值之間,上緣正最大應(yīng)力大于經(jīng)驗溫差應(yīng)力2 MPa,上緣最小應(yīng)力小于0.5 MPa經(jīng)驗溫差應(yīng)力,結(jié)構(gòu)偏于安全;(2)主應(yīng)力值、抗裂安全系數(shù)和強度安全系數(shù)三者基本一致?？梢缘贸鲈谌鄙賹嶋H觀測資料的情況下,采用本文建議的修正豎向溫差模式進行箱梁溫度應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算,可以確保結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

(1)豎向溫度計算模式不同國家規(guī)范之間有較大差異,對是否考慮梁底溫差和降溫溫差也有不同規(guī)定,我國鐵路規(guī)范規(guī)定的溫差荷載對結(jié)構(gòu)使用階段受力影響相對較大。

(2)我國現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范給出的箱形截面梁日照溫差分布圖,應(yīng)用于我國客運專線無砟軌道橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形橋梁設(shè)計時,其豎向溫差模式與實際不符。

(3)對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,溫差荷載在主梁上緣引起較大的應(yīng)力,它與混凝土張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的二次應(yīng)力相組合,將產(chǎn)生較大的應(yīng)力,將降低主梁截面的抗裂性能,增大預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力損失,在設(shè)計時應(yīng)予以高度重視。

(4)在實際計算中應(yīng)根據(jù)橋梁所處的環(huán)境選取適當(dāng)?shù)臏夭詈奢d進行計算,必要時須通過實驗合理選擇溫差計算模式。分析表明,本文提出的修正豎向溫度模式可以對我國客運專線橋梁計算提供參考和借鑒。

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Approach to Vertical Temperature Difference Value for Continuous Box Girders on Passenger Dedicated Lines

KOU Yan-chun
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,LTD.,Wuhan 430063,China)

To understand the impact of the vertical temperature difference load of box girders on passenger dedicated lines on the structure,four distinct bridge specifications from United States,United Kingdom,Japan and China are compared and analyzed in terms of nonlinear sunshine temperature curve, and the temperature stress of the structure section at different nonlinear sunshine temperatures is calculated respectively for different specifications with reference to 3-span variable cross-section continuous box beam.The results show that temperature difference load as stipulated in Chinese specification brings about more effect on the structure.In view of the actual conditions of the bridges on dedicated passenger lines,and reduction effects of track structure on bridge deck temperature,the selection of vertical temperature differences of box girder bridges on passenger dedicated lines is recommended.

Passenger dedicated railway line;Continuous box girder;Temperature difference load; Railway specification;Structure analysis

U238;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.018

1004-2954(2014)12-0071-05

2014-08-07;

2014-08-22

寇延春(1973—),女,高級工程師,1995年畢業(yè)華中科技大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:2005wangdz@163.com。