高溫瀝青攤鋪溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋有限元分析

劉奉俠， 王 嵐

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與路橋工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

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高溫瀝青攤鋪溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋有限元分析

劉奉俠1， 王 嵐2

(1.內(nèi)蒙古建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 市政與路橋工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

在橋梁工程主體結(jié)構(gòu)完成后會攤鋪瀝青混凝土，攤鋪瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生高溫導(dǎo)致箱梁內(nèi)產(chǎn)生溫差分布，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的主體產(chǎn)生裂縫。我國現(xiàn)階段還沒有對高溫瀝青攤鋪引起的橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場分布做出規(guī)定，因此，由其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在設(shè)計還沒有考慮。以國內(nèi)外箱梁溫度應(yīng)力理論以及方法為基礎(chǔ)，基于ANSYS有限元軟件對高溫瀝青攤鋪溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋進行分析，并與日照溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋的應(yīng)力進行對比。

高溫瀝青攤鋪； 溫度場； 鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋； 有限元分析

1 概述

近年來，我國橋梁的數(shù)量不斷增加，對橋梁的研究也日益提高。通過目前已知研究發(fā)現(xiàn)[1-3]：時間段、變化快的攤鋪瀝青及太陽輻射造成的溫度變化，這種溫度變化促使箱梁內(nèi)部溫度分布不均勻，產(chǎn)生極大的溫差應(yīng)力，對橋梁影響極大，會使箱梁橋在施工及運營過程中產(chǎn)生嚴(yán)重裂損，給橋梁的安全造成極大威脅。現(xiàn)階段，國內(nèi)外關(guān)于溫度梯度的研究更多針對日照條件下進行的，美國專家Zuk[4]依據(jù)氣象資料對橋梁的溫度分布進行估計，并導(dǎo)出了梁底面與頂面間的最大溫差近似值，并以實橋觀測為基礎(chǔ)，基于線性溫度分布獲得了梁的溫度應(yīng)力；Make[5]進行了基于Madway的一系列橋梁研究，并以混凝土連續(xù)箱梁符合線性分布的溫度荷載作用前提下，并在假設(shè)箱梁截面兩邊及地板溫度不改變條件下，進行了橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)等；我國鐵道部科學(xué)研究院的西南研究所[6-9]，以大量實測資料為基礎(chǔ)，并基于理論研究，很好的解決了基于混凝土橋梁結(jié)構(gòu)溫度荷載及溫度應(yīng)力的理論關(guān)系，并構(gòu)建了極為簡便的工程計算方法，并在1984年6月納入了出版的《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》[10]。而關(guān)于攤鋪瀝青混凝土對橋梁結(jié)構(gòu)的溫度分布研究很少。因此，借鑒國內(nèi)外箱梁溫度應(yīng)力理論、方法及日照條件下的溫度梯度，利用ANSYS有限元軟件對高溫瀝青攤鋪溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋進行分析意義重大。

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 工程概述

本文以渭河特大橋連續(xù)箱梁為研究對象。渭河特大橋?qū)儆谖靼仓零~川高速公路改擴建項目，其上部結(jié)構(gòu)為90+165+95.25 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，全長為347.5 m，屬于三跨連續(xù)鋼架橋，公路屬于雙向四車道高速公路，車輛荷載等級為公路-I級。

2.2 有限元模型

由于鋼筋與混凝土是兩種不同材料，在進行基于ANSYS軟件[7]進行有限元模型構(gòu)建時，假定鋼筋與混凝土具有較好的粘結(jié)性，且鋼筋混凝土在整個模型單元分布，并將單元看作是理想的均質(zhì)材料。在進行模型構(gòu)建時，混凝土用8節(jié)點soid65單元模擬，預(yù)應(yīng)力使用link8單元模擬，全橋需要使用159 816個solid65單元、2 680個link8單元進行模擬。即總共的單元數(shù)為162 496個，結(jié)點數(shù)共計195 229個。如圖1所示，圖1為半跨的橋梁模型；基于鋼筋混凝土及普通鋼筋模型參數(shù)如表1所示。

圖1 基于ANSYS軟件構(gòu)建的半跨橋梁模型圖Figure 1 A half bridge cross-model diagram based on ANSYS software

表1 基于鋼筋混凝土及普通鋼筋模型參數(shù)Table1 Modelparametersbasedonreinforcedconcreteandreinforced材料彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)熱膨脹系數(shù)鋼筋混凝土3.45E40.225511.0E-5普通混凝土2.0E5 0.378501.0E-5

2.3 荷載條件及邊界條件

① 恒荷載。主要是指瀝青在攤鋪過程中的自重，主要基于單元的材料屬性進行考量，對于鋪裝層的荷載，則主要基于面荷載進行參考。

② 溫度荷載。利用相關(guān)文獻中提出的溫度場分布公式，在進行溫度荷載加載時，不考慮瀝青高溫攤鋪引起的縱向溫度差，只考慮溫度豎向分布。關(guān)于日照溫度場[8]所采用規(guī)范則為規(guī)定的溫度場。

本文進行有限元分析所采用的如表2所示。所利用的邊界條件：在模型一端添加固端約束條件，在模型另一端不添加約束條件。

表2 基于有限元分析的工況條件Table2 Workingconditionsbasedonfiniteelementanalysis工況名稱荷載組合工況一一期恒載+二期恒載+瀝青攤鋪溫度荷載工況二一期恒載+二期恒載+日照溫度荷載

3 計算結(jié)果及其分析

基于鋼筋混凝土的連續(xù)箱梁過程中的三維空間體系，每個截面的溫度分布，在時間、空間上各有不同，因此，所產(chǎn)生的縱向應(yīng)力也存在差別。由于每個截面受到的溫度變化相同，因此，每個截面的橫向溫度應(yīng)力僅僅收到其自身截面的幾何形狀影響。且也不隨著縱向位置的不同而存在差別。本論文首先對橋梁的橫向應(yīng)力進行分析，然后針對豎向應(yīng)力進行分析研究。如圖2和圖3所示，分別為基于ANSYS軟件的箱梁橫向應(yīng)力分布圖以及豎向應(yīng)力分布圖。

圖2 基于ANSYS軟件的箱梁橫向應(yīng)力分布圖Figure 2 Box beam transverse stress distribution based on ANSYS Software

圖3 基于ANSYS軟件的箱梁豎向應(yīng)力分布圖Figure 3 Box Beam Vertical stress distribution based on ANSYS Software

進行計算結(jié)果分析時，需采用如下約定，即：

① 拉應(yīng)力大小為正值、壓應(yīng)力大小為負(fù)值；

② 圖中所有數(shù)字單位均為MPa；

③ 在進行建模過程中，支座只對單結(jié)點進行約束，則在此點必然會產(chǎn)生極大的應(yīng)力，另一方面，在進行橋梁設(shè)計時，應(yīng)該在支座位置加強配筋，因此，本文在進行計算結(jié)果分析時，均忽略了支座結(jié)點附近的應(yīng)力。

3.1 工況一條件下的溫度應(yīng)力分析

圖4所示，為在頂板施加橫向應(yīng)力的曲線圖。圖5與圖6所示，為中腹板與左腹板的豎向應(yīng)力曲線圖。

圖4 頂板施加橫向應(yīng)力的曲線圖Figure 4 Roof graph applied transverse stress

圖5 中腹板豎向應(yīng)力曲線圖Figure 5 Vertical stress curve of zhongfu board

圖6 左腹板的豎向應(yīng)力曲線圖Figure 6 Vertical stress curve of Zuofu board

對上圖分析可以發(fā)現(xiàn)，在瀝青攤鋪過程中，自重與溫度荷載共同作用，對中腹板以及左腹板的縱向應(yīng)力曲線基本一致，大小也極為接近。壓應(yīng)力的產(chǎn)生主要在腹板頂面以及底面位置；拉應(yīng)力的產(chǎn)生則主要位于腹板中部處。頂板的衡應(yīng)力的最大位置位于腹板處。由于頂板位于升溫過程中，因此頂板也受到壓應(yīng)力作用。

3.2 工況二條件下的溫度應(yīng)力分析

圖7所示，為在頂板施加橫向應(yīng)力的曲線圖。圖8與圖9所示，為中腹板與左腹板的豎向應(yīng)力曲線圖。

通過分析圖7～圖9可知：基于自重以及日照溫度荷載條件下，左腹板以及中腹板的縱向應(yīng)力曲線圖形狀基本相同，數(shù)據(jù)大小也幾乎相同。壓應(yīng)力主要產(chǎn)生在腹板頂面以及底面；拉應(yīng)力則主要在腹板中部產(chǎn)生。頂板在腹板位置所受到的壓應(yīng)力為最大，在其他部位，則完全受到壓應(yīng)力作用。

3.3 工況一與工況二分析對比

表3所示，為截面正應(yīng)力以及橫向應(yīng)力匯總分析結(jié)果表。對于表中的較大值范圍主要是通過各云圖獲得的分布范圍較大的最大應(yīng)力值，也忽略了應(yīng)力集中位置的最大應(yīng)力值。

圖7 頂板橫向應(yīng)力曲線圖Figure 7 Roof graph applied transverse stress

圖8 中腹板豎向應(yīng)力曲線圖Figure 8 Vertical stress curve of zhongfu board

圖9 左腹板的豎向應(yīng)力曲線圖Figure 9 Vertical stress curve of zuofu board

從正應(yīng)力角度考慮，瀝青在高溫條件下引起的邊跨跨中的截面正應(yīng)力的增加幅度極大，最大值相對于日照工況條件增加了203%，較大值相對于日照工況增加了100%。盡管瀝青攤鋪在高溫條件下對中跨的影響盡管極小，但相對于日照工況來講，最大值增加了47%，較大值增加了29%。

表3 結(jié)果匯總Table3 Theresultsaresummarized截面位置工況正應(yīng)力/MPa橫向應(yīng)力/MPa比較%最大值較大值范圍平均最大值較大值范圍平均統(tǒng)計式正應(yīng)力橫向應(yīng)力最大值平均較大值最大值平均較大值邊跨跨中工況一-0.58-1～0-0.5 2.350～10.5I426770工況二1.451～2-0.52.670～10.5II245167210中跨跨中工況一-1.5 -2～-1-1.5 2.940～10.5I445740 0工況二-0.23-1～0-0.531～21.5II918643 200邊跨支座工況一0.1-1～0-0.5 2.242～32.5I0020工況二0.1-1～0-0.53.783～43.5II007240中跨支座工況一-0.57-1～0-0.5 2.041～20.5I-186 0-18 -80 工況二0.45-1～0-0.53.983～43.5II-32 059 40

從支座截面考慮，基于瀝青高溫以及日照高溫所產(chǎn)生的正應(yīng)力均有利于截面的受力，均降低了最大應(yīng)力值，原因在于支座位置處于負(fù)彎矩區(qū)，在箱梁的上部，受拉力作用，在箱梁下部，主要受壓力作用。箱梁頂板升溫會使得的上部產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致截面了不利拉應(yīng)力降低。

從橫向應(yīng)力角度考慮，瀝青高溫產(chǎn)生的邊跨跨中，最大值比日照工況提高了15%，較大值基本沒有提高。中跨跨中相對于日照工況來講，其最大值提高了3%，較大值增加了200%。

基于瀝青高溫的邊跨支座，其橫向應(yīng)力相對于日照工況來講，最大值增加了70%，較大值增加了40%。基于中跨支座的橫向應(yīng)力，瀝青高溫相對于日照工況，最大值提高了78%，較大值提高了120%。

基于橫向應(yīng)力考慮，基于瀝青高溫產(chǎn)生的支座，其截面橫向應(yīng)力增加量從整體考慮，比跨中截面的橫向應(yīng)力大。因此，基于瀝青高溫產(chǎn)生的截面橫向應(yīng)力，其支座處不利，主要原因在于支座位置，基于混凝土的橫向膨脹收到支座約束的影響。

4 結(jié)論

本文在市場數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于ANSYS有限元分析軟件，對高溫瀝青攤鋪溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋進行分析，并與日照溫度場下的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋的應(yīng)力進行對比。結(jié)果證明：

① 在攤鋪高溫瀝青混凝土施工過程中，基于溫度荷載作用產(chǎn)生的最大豎向拉應(yīng)力，主要位于腹板的中性軸附近；產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力則位于頂板的底面位置。對于豎向作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，主要表現(xiàn)出梁高呈指數(shù)函數(shù)分布。

② 基于瀝青攤鋪的過程，其頂板與底板均會產(chǎn)生極大的橫向拉應(yīng)力，這主要由于頂板以及底板的自我約束應(yīng)力以及框架約束應(yīng)力產(chǎn)生。

③ 基于瀝青攤鋪高溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，相對于日照高溫來講，不管是正向應(yīng)力，還是橫向應(yīng)力，不管是跨中，還是支座位置，均高，最大值均超過日照高溫的2倍。

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Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Continuous Box Girder Bridge on Temperature Field of High Temperature Asphalt Paving

LIU Fengxia1， WANG Lan2

(1.Engineering School of Inner Mongolia Technical College of Construction， Huhehot， Inner Mongolia 010070， China； 2.Inner Mongolia University of Technology， Civil Engineering College， Huhehot， Inner Mongolia 010051， China)

After the completion of the main structure of the bridge project will be paving asphalt concrete.Paving asphalt concrete will generate heat，resulting in a temperature difference distribution within the girder，a temperature stress，the main cause of the bridge structure cracks.Temperature distribution in our country at this stage did not cause high-temperature asphalt paving of the bridge structure to make provision，therefore，thermal stress generated in its design has not been considered.This paper based on domestic and foreign box girder temperature stress theory and ANSYS finite element software to analyze einforced concrete high-temperature asphalt paving temperature field under continuous box girder bridges，then compared with sunshine temperature field of reinforced concrete continuous box girder under the bridge stress.

high-temperature asphalt paving； finite element analysis； temperature field； reinforced concrete continuous box girder bridge

2016 — 06 — 22

國家自然科學(xué)基金委員會基金項目(11162012)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科學(xué)技術(shù)廳自然科學(xué)基金項目(2014MS0507)

劉奉俠(1975 — )，女，內(nèi)蒙古錫林郭勒人，副教授，高級工程師，主要研究領(lǐng)域為路橋工程。

U 448.21+5

A

1674 — 0610(2016)05 — 0052 — 05