預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁橋溫度效應(yīng)分析

喬 陽

(河北省交通規(guī)劃設(shè)計院試驗檢測室)

1 前 言

對于混凝土工程結(jié)構(gòu)來講，由于自然環(huán)境條件變化所產(chǎn)生的溫度作用，一般可以分為三種類型，即:日照溫度變化、驟然降溫溫度變化、年溫溫度變化。以上的幾種溫度作用，都是自然環(huán)境條件變化混凝土自身特性所造成的，是人們難以消除的。理論分析及實(shí)驗研究表明:在大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋特別是超靜定結(jié)構(gòu)體系中，溫差應(yīng)力可以達(dá)到甚至超過活載產(chǎn)生的應(yīng)力，已被認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，因此有必要對這些荷載進(jìn)行計算分析。橋梁工程結(jié)構(gòu)由于日照、驟然降溫、年溫變化、水化熱等產(chǎn)生的溫度作用，橋梁工程結(jié)構(gòu)由于日照、驟然降溫、年溫變化、水化熱等產(chǎn)生的溫度作用，其不同特點(diǎn)可見表1 ～表2。所以橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工監(jiān)控時，必須對溫度作用進(jìn)行詳細(xì)分析，本文結(jié)合某城際鐵路一座三跨57 m+100 m+57 m 連續(xù)梁橋?qū)囟刃?yīng)進(jìn)行分析。

表1 不同溫度模式對比表

2 工程背景

本文工程背景為某城際鐵路一座預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，橋梁跨徑組合為:57 m+100 m+57 m，全長215.3 m，橋梁結(jié)構(gòu)單箱單室混凝土連續(xù)梁橋。橋梁布置圖如圖1 所示。對該橋計算分析采用Madis/Civil 有限元軟件，建立空間模型模擬。全橋離散單位130 個，節(jié)點(diǎn)131 個。主要計算截面如圖2 所示，空間有限元模型如圖3 所示。

圖1 橋梁布置圖

圖2 主要計算截面

圖3 Midas Civil 有限元模型圖

3 溫度作用下主梁的內(nèi)力和變形分析

3.1 結(jié)構(gòu)整體升降溫對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響

根據(jù)設(shè)計文件，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4 ～圖6 為整體升溫和整體降溫作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算結(jié)果。

圖4 整體升溫和整體降溫作用下主梁位移

圖5 整體升溫和整體降溫作用下主梁上緣應(yīng)力

圖6 整體升溫和整體降溫作用下主梁下緣應(yīng)力

由圖4 ～圖6 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2.5 mm，邊跨上拱最大值為0.2 mm;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)希锌缈缰邢聯(lián)献畲笾颠_(dá)到－2.0 mm，邊跨下?lián)献畲笾禐椋?.2 mm。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0.24 MPa(升溫20 ℃)，發(fā)生在跨中截面，下緣應(yīng)力最大值為－0.39 MPa(升溫20 ℃)，發(fā)生在跨中截面;箱梁上下緣應(yīng)力變化情況相反。

綜上所述，整體升降溫作用引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、撓度均較小，對結(jié)構(gòu)基本沒有太大影響;但在整體升降溫作用下，橋梁所產(chǎn)生的撓度施工監(jiān)控也應(yīng)適當(dāng)考慮。

3.2 日照和寒潮不均勻溫度梯度作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移變化

該橋橫向計算考慮日照和寒潮兩種情況，日照和寒潮兩種溫度模式考慮梁體外部和內(nèi)部的溫度差，梁體頂?shù)装濉⒏拱灏聪鄳?yīng)非線性溫度梯度考慮。日照和寒潮計算模式如圖7 所示。圖8 ～圖12 為日照和寒潮作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移計算結(jié)果。

圖7 溫度橫向作用日照和寒潮計算模式

圖8 日照作用下主梁上緣應(yīng)力

圖9 日照作用下主梁下緣應(yīng)力

從圖8 ～圖12 可以看出，在日照作用下主梁截面左右側(cè)變化規(guī)律基本一致。在日照模式作用下，邊跨范圍內(nèi)主梁右側(cè)上緣應(yīng)力受拉，最大0.83 MPa，中跨范圍內(nèi)主要受壓，最大壓應(yīng)力－0.35 MPa，左側(cè)上緣全范圍內(nèi)受壓，最大壓應(yīng)力－1.95 MPa。左側(cè)上緣應(yīng)力均大于右側(cè)上緣應(yīng)力，最大差值1.67 MPa。對于下緣應(yīng)力，左側(cè)除跨中30 m 范圍內(nèi)受拉，其余受壓，最大拉應(yīng)力0.61 MPa，最大壓 應(yīng) 力－3.03 MPa。右側(cè)邊跨部分受拉，部分受壓，中跨基本全范圍受拉，最大拉應(yīng)力發(fā)生在跨中2.44 MPa，最小壓應(yīng)力在邊跨支點(diǎn)處，為－1.20 MPa 。左側(cè)下緣應(yīng)力均大于右側(cè)下緣應(yīng)力，最大差值1.83 MPa。左側(cè)上下緣應(yīng)力均比右側(cè)大，與橫向溫度分布有關(guān)，左側(cè)溫度為10 ℃，右側(cè)為5 ℃，結(jié)構(gòu)在左側(cè)引起了較大的壓應(yīng)力。

從圖10 ～圖11 可以看出在寒潮作用下主梁左右側(cè)上下緣應(yīng)力值基本一致。上緣應(yīng)力全范圍受壓，最大壓應(yīng)力發(fā)生在中跨跨中，為－0.63 MPa。下緣應(yīng)力處橋墩左右兩側(cè)部分受壓，其余均受拉。最大拉應(yīng)力3.92 MPa。寒潮溫度作用下，主要在結(jié)構(gòu)下緣產(chǎn)生較大拉應(yīng)力。左右側(cè)上下緣應(yīng)力一致，和寒潮作用模式相應(yīng)，梁截面溫度上下左右均對稱分布，所以主梁截面應(yīng)力一致。

圖10 寒潮作用下主梁上緣應(yīng)力

圖11 寒潮作用下主梁下緣應(yīng)力

圖12 日照和寒潮作用下主梁位移

從圖12 可以看出，日照和寒潮模式作用下，撓度變化規(guī)律一致。邊跨上撓，中跨下?lián)?，日照作用下橋梁結(jié)構(gòu)位移大于寒潮作用。日照作用下邊跨最大位移3.40 mm，中跨最大位移6.24 mm。兩種情況下，邊跨位移最大差值為1.55 mm，中跨最大位移差值為2.11 mm。

4 小 結(jié)

(1)整體升降溫作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力和撓度較小，對結(jié)構(gòu)影響較小;

(2)在日照和寒潮作用下，日照作用下產(chǎn)生較大的撓度6.24 mm，在設(shè)計和施工監(jiān)控時應(yīng)注意考慮，保證結(jié)構(gòu)標(biāo)高平順，符合設(shè)計線形;

(3)在考慮主梁截面日照和寒潮不均勻溫度模式時，日照側(cè)，箱梁上下緣主要受壓，應(yīng)力值較小，對結(jié)構(gòu)影響不大;在寒潮對稱溫度作用下，箱梁下緣產(chǎn)生較大拉應(yīng)力3.92 MPa，在設(shè)計時應(yīng)全面考慮，避免結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度不夠而早期開裂，特別是溫差進(jìn)一步增大，則應(yīng)慎重考慮。

［1］雷俊卿.大跨度橋梁結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

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

［3］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60－2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［4］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).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)［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［5］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，1999.