大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)研究

曾利強(qiáng)

(惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東　惠州　516001)

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大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)研究

曾利強(qiáng)

(惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東惠州516001)

曾利強(qiáng)(1983—)，工程師，研究方向：路橋設(shè)計(jì)。

摘要：文章以廣東某大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，采用MIDAS/CIVIL軟件建立有限元模型，綜合考慮整體升溫和降溫的影響，分析系統(tǒng)溫度對橋梁內(nèi)力和變形的影 響，并結(jié)合廣東當(dāng)?shù)販囟葰夂驐l件，建立適合于建橋所在地區(qū)特點(diǎn)的溫度梯度模式。通過將分析結(jié)果與國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度模式分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了所建立的溫度梯度模式計(jì)算結(jié)果的可靠性，為相似大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)提供建議及參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)箱梁橋；系統(tǒng)溫度；溫度梯度模式；有限元模型；設(shè)計(jì)規(guī)范

0引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，具有伸縮縫少、行車舒適性好等優(yōu)點(diǎn)的大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋得到廣泛應(yīng)用。但隨著大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的大量修建，暴露出預(yù)應(yīng)力混凝土箱形結(jié)構(gòu)開裂等突出的問題[1]。究其原因，是由于大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在受到溫度作用下，產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，進(jìn)而引起混凝土開裂，經(jīng)多年理論研究和工程實(shí)踐檢驗(yàn)表明，溫度效應(yīng)是大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋產(chǎn)生裂縫的重要原因[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的溫度效應(yīng)進(jìn)行了研究，Priestley M.J.[3]等研究了橋梁截面溫度分布的規(guī)律，并提出計(jì)算方法，Saetta A.和Scotta R.[4]等研究了在變化溫度場作用下，混凝土結(jié)構(gòu)的截面應(yīng)力和應(yīng)變變化規(guī)律，劉興法[5]通過大量現(xiàn)場試驗(yàn)觀測資料的分析和理論研究，建立了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的控制溫度荷載及相應(yīng)的溫差應(yīng)力計(jì)算方法。李宏江[6]等根據(jù)廣東某混凝土箱梁日照作用下的溫度觀測結(jié)果，研究出箱梁沿?cái)嗝娓叨确较虻臏囟忍荻确植家?guī)律，提出適合廣東地區(qū)溫度梯度模式。

本文以某大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋作為工程背景，綜合考慮整體升溫和降溫，分析系統(tǒng)溫度對橋梁內(nèi)力和變形的影響，然后結(jié)合廣東當(dāng)?shù)販囟葰夂?，借鑒以往研究成果，建立適合于建橋所在地區(qū)特點(diǎn)的溫度梯度模式，并將分析結(jié)果與國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度模式分析結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本文建立的溫度梯度模式計(jì)算結(jié)果的可靠性，為相似大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)提供合理的建議及參考。

1工程概況

橋梁上部構(gòu)造箱梁跨徑組合為30 m+2×40 m+30 m，單幅橋上部構(gòu)造采用單箱雙室變截面連續(xù)箱梁，跨中和邊支點(diǎn)處箱梁截面高度采用1.6 m，中墩支點(diǎn)處箱梁截面高度采用2.5 m，頂板厚25 cm，底板厚22～37.3 cm，跨中腹板厚45 cm，支點(diǎn)處腹板厚為60 cm，箱梁的懸臂板寬2.5 m，懸臂板厚15～45 cm，箱梁混凝土采用C50，主橋總體布置見圖1。

圖1　主橋總體布置圖(m)

2系統(tǒng)溫度效應(yīng)分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2004)規(guī)定[7]，橋梁的系統(tǒng)溫度效應(yīng)從橋梁結(jié)構(gòu)受到約束時(shí)的溫度開始，考慮最高和最低的溫度差異計(jì)算溫度效應(yīng)，并對不同地區(qū)在缺乏實(shí)測資料情況下給出了最高和最低溫度標(biāo)準(zhǔn)值。但考慮到成橋時(shí)間難以確定，在設(shè)計(jì)階段對成橋時(shí)間的氣溫更是難以預(yù)測，往往依靠設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值，這樣計(jì)算得到的結(jié)果往往跟實(shí)際情況有明顯偏差。為避免溫度取值問題干擾，本文利用有限元軟件分別計(jì)算系統(tǒng)整體升溫1 ℃和整體降溫1 ℃作用下箱梁結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力及變形，并將分析結(jié)果進(jìn)行比較，各主要控制截面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1，系統(tǒng)整體升降溫作用下主梁的豎向位移計(jì)算結(jié)果見圖2。

表1　各主要控制截面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

由表1可知，系統(tǒng)整體溫度變化對中跨影響最大，其它位置影響較小。對于系統(tǒng)整體升降溫，全橋的溫度應(yīng)力具有相反的分布規(guī)律，在系統(tǒng)整體升溫1 ℃的作用下，各跨跨中截面上緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力，各墩墩頂截面下緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力；而在系統(tǒng)整體降溫1 ℃的作用下，各跨跨中截面下緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力，各墩墩頂截面上緣均出現(xiàn)拉應(yīng)力。整體降溫作用下，整體降溫與自重引起的應(yīng)力分布相同，二者若疊加作用對結(jié)構(gòu)受力不利，因此，橋梁成橋時(shí)間宜安排在當(dāng)天氣溫較低時(shí)，這樣隨著溫度逐漸升高形成整體升溫效應(yīng)，有利于減小整體溫度變化對橋梁受力的不利影響。

圖2　系統(tǒng)整體升降溫作用下主梁豎向位移曲線圖

由圖2可知，系統(tǒng)整體溫度變化對中跨影響最大，其它位置影響較小。對于系統(tǒng)整體升降溫，全橋的溫度位移具有相反的分布規(guī)律，在系統(tǒng)整體升溫1 ℃的作用下，橋梁中跨上拱，而在系統(tǒng)整體降溫1 ℃的作用下，橋梁中跨下?lián)?。整體降溫作用下，整體降溫與自重引起的位移分布相同，二者若疊加作用對結(jié)構(gòu)變形控制不利，因此，橋梁成橋時(shí)間宜安排在當(dāng)天氣溫較低時(shí)，這樣隨著溫度逐漸升高形成整體升溫效應(yīng)，有利于減小整體溫度變化對橋梁變形的不利影響。

3溫度梯度效應(yīng)

我國地域幅員遼闊，各地氣候溫度差異較大，現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范并沒有考慮全國范圍內(nèi)的氣候差異，而采用同一溫度模式進(jìn)行溫度效應(yīng)分析，而這樣得到分析結(jié)果明顯不盡合理。本文結(jié)合建橋地區(qū)當(dāng)?shù)販囟葰夂?，借鑒李宏江等提出的適合廣東地區(qū)溫度梯度模式建立適合于建橋所在地區(qū)特點(diǎn)的推薦溫度梯度模式，并為驗(yàn)證該模式計(jì)算結(jié)果的可靠性，分別建立與推薦溫度梯度模式及國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式相對應(yīng)的四種工況：(1)工況一為推薦溫度梯度模式；(2)工況二為《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)規(guī)定的豎向溫度梯度模式；(3)工況三為英國橋規(guī)BS-5400規(guī)定的溫度梯度模式；(4)工況四為日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)規(guī)定的溫度梯度模式。利用有限元軟件分別計(jì)算四種工況作用下箱梁結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力及變形，并將分析結(jié)果進(jìn)行比較。各工況對應(yīng)溫度梯度模式：

(1)工況一：推薦溫度梯度模式

李宏江等通過對箱梁混凝土溫度實(shí)測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)測曲線與我國鐵路橋新規(guī)范的計(jì)算模式非常類似，在距頂板上緣0～2/3 H范圍內(nèi)，溫度梯度分布曲線呈現(xiàn)明顯非線性，自頂板的最大值開始迅速減小，直至腹板的中下部，溫度數(shù)值衰減至最低，溫差接近為0 ℃，并據(jù)此規(guī)律擬合出適合廣東地區(qū)的溫度梯度分布曲線如式(1)所示：

Ty=23·e-5.3y

(1)

而通過對底板實(shí)測數(shù)據(jù)分析整理發(fā)現(xiàn)，自底板上緣附近開始，溫度逐漸升高，溫差逐漸增大，底板最大溫差接近3 ℃。故適合本橋所在地區(qū)箱梁的整體溫度梯度分布曲線如圖3所示：

圖3　推薦溫度梯度模式曲線圖

(2)工況二：《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)規(guī)定的豎向溫度梯度模式

圖4　《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)溫度梯度模式曲線圖

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中規(guī)定梯度溫度模式可以通過查表2確定。梯度溫度模式T1取25 ℃，T2取6.7 ℃，見圖4。

表2　豎向日照正溫差計(jì)算的溫度基數(shù)值表

(3)工況三：英國橋規(guī)BS-5400[8]溫度梯度模式

英國橋規(guī)BS-5400是迄今為止各國路橋規(guī)范中對橋梁結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的規(guī)定最詳細(xì)、最全面的規(guī)定。根據(jù)英國橋規(guī)BS-5400規(guī)定：有混凝土橋面板的混凝土橋梁的溫差值，當(dāng)梁高>1.5 m時(shí)，無鋪面的正溫差T1取13.5 ℃，T2取3 ℃，T3取2.5 ℃，見圖5。

圖5　英國橋規(guī)BS-5400溫度梯度模式曲線圖

(4)工況四：日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)

日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)規(guī)定：應(yīng)根據(jù)橋面板和其它部分的溫度差計(jì)算截面內(nèi)的應(yīng)力，溫差以5 ℃為標(biāo)準(zhǔn)，溫度梯度模式見圖6。

圖6　日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)溫度梯度模式曲線圖

分別考慮各工況作用，計(jì)算橋梁運(yùn)營階段梯度溫度模式下的箱梁結(jié)構(gòu)各主要控制截面的應(yīng)力及豎向位移，各主要控制截面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3，主梁的豎向位移結(jié)果見下頁圖7。

表3　各主要控制截面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

由表3可知，不同的梯度溫度模式溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致，但數(shù)值有一定差別，頂板一般產(chǎn)生壓應(yīng)力，底板一般產(chǎn)生拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在墩頂截面頂板，分別為-6.59 MPa、-7.75 MPa、-4.11 MPa、-1.32 MPa；最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中底板，分別為1.4 MPa、1.47 MPa、0.16 MPa、0.74 MPa。從四種不同的梯度溫度模式來看，采用本文建立的推薦溫度梯度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力略小于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中規(guī)定梯度溫度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，且大于英國橋規(guī)BS-5400和日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)規(guī)定的梯度溫度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。

圖7　主梁豎向位移結(jié)果曲線圖

由圖7可知，不同的梯度溫度模式溫度位移計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致，四種工況均是在邊跨跨中截面的豎向向下位移最大，最大位移分別為1.61 mm、1.25 mm、0.65 mm、0.58 mm；支點(diǎn)截面豎向位移最小。從四種不同的梯度溫度模式來看，采用本文建立的推薦溫度梯度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)位移略大于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)、且大于英國橋規(guī)BS-5400和日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)規(guī)定的梯度溫度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)位移。

因此，在進(jìn)行橋梁的溫度效應(yīng)分析時(shí)，采用本文推薦的溫度梯度模式是可靠的，其結(jié)果與《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)規(guī)定的溫度模式基本一致，且大于英國橋規(guī)BS-5400和日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)規(guī)定的梯度溫度模式。

4結(jié)語

(1)系統(tǒng)整體溫度變化對中跨影響最大，其它位置影響較小，對于系統(tǒng)整體升降溫，全橋的溫度應(yīng)力和位移具有相反的分布規(guī)律。在整體降溫作用下，整體降溫與自重引起的應(yīng)力和位移分布相同，二者若疊加作用對結(jié)構(gòu)受力和變形控制不利，因此，橋梁成橋時(shí)間宜安排在當(dāng)天氣溫較低時(shí)，這樣隨著溫度逐漸升高形成整體升溫效應(yīng)，有利于減小整體溫度變化對橋梁受力和變形的不利影響。

(2)不同的梯度溫度模式下，溫度應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果分布規(guī)律基本一致，但數(shù)值有一定差距。從四種不同的梯度溫度模式來看，采用本文建立的推薦溫度梯度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力略小于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)，而結(jié)構(gòu)位移略大于《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)，二者結(jié)果相差不大，基本一致，且大于英國橋規(guī)BS-5400和日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(1978)規(guī)定的梯度溫度模式計(jì)算的結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和位移，因此采用本文推薦的溫度梯度模式是可靠的。

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Research on Temperature Effect of Large-span Continuous Prestressed Concrete Box-girder Bridges

ZENG Li-qiang

(Huizhou Roads and Bridges Survey and Design Institute，Huizhou，Guangdong，516001)

Abstract：With a large-span prestressed concrete continuous box girder bridge in Guangdong as the research object，this article established the finite element model by using MIDAS/CIVIL software，and then by considering the impact of overall warming and cooling，it analyzed the impact of system temper-ature on bridge internal force and deformation，and then combining the local temperature and climatic conditions in Guangdong，it established the temperature gradient mode suitable for the characteristics of bridge construction location.By comparing the analysis results to temperature gradient mode analysis results stipulated in domestic and foreign design specifications，it verified the reliability of calculation results by established temperature gradient mode，thereby providing the advice and reference for the design of similar large-span prestressed concrete continuous box girder bridges.

Keywords：Continuous box girder bridge；System temperature；Temperature gradient mode；Finite element model；Design specifications

收稿日期：2016-01-27

文章編號：1673-4874(2016)02-0046-05

中圖分類號：U448.21+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.011

作者簡介