溫度梯度對大跨徑混凝土連續(xù)梁橋的影響分析

侯 攀，彭放枚

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

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溫度梯度對大跨徑混凝土連續(xù)梁橋的影響分析

侯 攀1，彭放枚2

(1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530029；2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530003)

文章采用中、美、英3國公路橋梁相關(guān)規(guī)范中溫度梯度效應(yīng)的計(jì)算方法，對不同跨徑的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋進(jìn)行分析和比較，結(jié)果顯示，中國2015規(guī)范溫度梯度效應(yīng)值最大。建議對采用混凝土橋面鋪裝的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋址處進(jìn)行溫度梯度效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以便更加合理地確定溫度梯度值，使得橋梁的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。

溫度梯度；橋面鋪裝；大跨徑混凝土連續(xù)梁橋；應(yīng)力；計(jì)算

0 引言

縱觀我國公路橋梁規(guī)范中溫度梯度的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn)，《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)中較簡單地采用了均勻的+5 ℃的溫度差，而《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)(以下簡稱“中國2004規(guī)范”)中則采用了折線形的溫度梯度曲線，并明確了不同結(jié)構(gòu)類型的溫差計(jì)算基數(shù)。在經(jīng)歷了我國大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的飛速發(fā)展后，人們越來越深刻地認(rèn)識(shí)到了溫度梯度效應(yīng)對于結(jié)構(gòu)安全的影響。最新發(fā)布的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)(以下簡稱“中國2015規(guī)范”)對豎向溫度梯度的運(yùn)用更加明確，對豎向梯度溫度曲線最高值T1的確定也有了更加確切的解釋，同時(shí)，中國2015規(guī)范引進(jìn)了橫向溫度梯度效應(yīng)及施工階段瀝青攤鋪引起的溫度影響。各國的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范也對溫度梯度作出了規(guī)定，但由于材料特點(diǎn)及環(huán)境特點(diǎn)的差別，各國的溫度梯度模式也不盡相同，因此，仍然需要大量的研究工作來分析溫度梯度在橋梁實(shí)際運(yùn)營中產(chǎn)生的效應(yīng)。本文以兩座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁為工程背景，采用不同規(guī)范的溫度梯度模型計(jì)算梯度效應(yīng)并進(jìn)行比對分析，為今后同類橋型的設(shè)計(jì)與研究提供有意義的參考。

1 各國對溫度梯度的規(guī)定

本文選擇對同樣采用折線模式的中國2015規(guī)范、英國BS5400規(guī)范及AASHTO規(guī)范進(jìn)行比較，圖1～3分別為各國規(guī)范采用的計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度效應(yīng)的模式，根據(jù)橋面鋪裝類型及鋪裝層厚度的不同，表1～3給出了各國規(guī)范中各折線點(diǎn)出的溫度值。

圖1 中國2015規(guī)范豎向梯度溫度曲線圖(單位：mm)

圖2 英國BS5400規(guī)范豎向梯度溫度曲線圖

圖3 美國AASHTO豎向梯度溫度曲線圖

結(jié)構(gòu)類型T1(℃)T2(℃)水泥混凝土鋪裝256.750mm瀝青混凝土鋪裝層206.7100mm瀝青混凝土鋪裝層145.5

表2 豎向日照正溫差計(jì)算的溫度基數(shù)表(BS5400)

表3 AASHTO規(guī)范豎向日照溫差計(jì)算的溫度基數(shù)表

2 計(jì)算模型及結(jié)果分析

2.1 工程背景

根據(jù)各國規(guī)范對溫度梯度的規(guī)定，本文選取兩座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁作為研究對象。

工程背景一：主橋上部結(jié)構(gòu)采用(60+100+100+60)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，混凝土標(biāo)號(hào)為C55，梁中心高度為5.60～2.50 m。主橋總體布置圖及橫斷面示意圖如圖4～5所示。

圖4 工程一主橋總體布置示意圖(單位：cm)

圖5 工程一主梁橫斷面示意圖(單位：cm)

工程背景二：主橋上部結(jié)構(gòu)采用(75+140+75)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，混凝土標(biāo)號(hào)為C55，梁中心高度為8.0～3.0 m，主橋總體布置圖及橫斷面示意圖如圖6～7所示。

圖6 工程二主橋總體布置示意圖(單位：cm)

圖7 工程二主梁橫斷面示意圖(單位：cm)

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算采用平面有限元理論建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)離散圖如圖8～9所示。

圖8 工程一結(jié)構(gòu)離散圖

圖9 工程二結(jié)構(gòu)離散圖

2.3 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算結(jié)果

計(jì)算過程中溫度梯度分別采用各國規(guī)范的溫度梯度模型進(jìn)行組合計(jì)算。橋面鋪裝厚度均按100 mm計(jì)算，美國AASHTO規(guī)范則按2區(qū)的梯度值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 溫度梯度效應(yīng)比較表(標(biāo)準(zhǔn)值) (MPa)

注：表格中“+”表示拉應(yīng)力，“-”表示壓應(yīng)力

由表4計(jì)算結(jié)果可知：(1)對于不同跨徑的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的正溫差效應(yīng)，AASHTO與中國2015規(guī)范混凝土鋪裝的效應(yīng)值最大，中國2015規(guī)范瀝青混凝土鋪裝的效應(yīng)值次之，BS5400規(guī)范其效應(yīng)值最小。

(2)對于不同跨徑的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的負(fù)溫差效應(yīng)，中國2015規(guī)范混凝土鋪裝的效應(yīng)值最大，中國2015規(guī)范瀝青鋪裝與AASHTO規(guī)范混凝土鋪裝的效應(yīng)值相當(dāng)，BS5400規(guī)范負(fù)溫差效應(yīng)在主梁上下產(chǎn)生較均勻的拉應(yīng)力，AASHTO規(guī)范瀝青混凝土鋪裝效應(yīng)值最小。

2.4 溫度梯度效應(yīng)在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中的影響分析

中國2015規(guī)范中規(guī)定，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.4，組合值系數(shù)取0.75。進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，汽車效應(yīng)的頻率值系數(shù)取0.7，溫度梯度作用的頻遇值系數(shù)及準(zhǔn)永久值系統(tǒng)取0.8。進(jìn)行彈性階段截面應(yīng)力計(jì)算時(shí)(使用階段壓應(yīng)力驗(yàn)算)，除特別指明外，各作用應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值，作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取為1.0，各項(xiàng)應(yīng)力極限值應(yīng)按各設(shè)計(jì)規(guī)范固定采用[1]。

圖10 工程一使用階段正截面上緣壓應(yīng)力曲線圖

單元標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力值梯度升溫應(yīng)力值比例汽車荷載應(yīng)力值比例76-17.80-8.2146.12%-2.7415.39%77-18.60-8.2544.35%-2.6013.98%78-18.30-8.2344.97%-2.3412.79%79-18.40-8.2044.57%-2.0210.98%

圖11 工程二使用階段正截面上緣壓應(yīng)力曲線圖

單元號(hào)標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力值梯度升溫應(yīng)力值比例汽車荷載應(yīng)力值比例44-18.80-8.3144%-2.4113%45-19.20-8.2943%-2.3512%46-19.70-8.2642%-2.1811%47-19.50-8.2742%-2.0110%

根據(jù)圖10～11及表5～6可知，采用混凝土橋面鋪裝時(shí)，使用階段正截面上緣壓應(yīng)力值超過規(guī)范值17.75 MPa[4]，其中梯度升溫效應(yīng)貢獻(xiàn)了約45%的壓應(yīng)力值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過汽車荷載引起的效應(yīng)值?；炷翗蛎驿佈b溫度梯度效應(yīng)在主梁下緣引起約2.2 MPa拉應(yīng)力，略小于汽車荷載引起的拉應(yīng)力值3.6～4.1 MPa。

3 結(jié)語

通過對各國規(guī)范進(jìn)行比較分析，可以得出如下結(jié)論：

(1)對于混凝土橋面鋪裝，中國2015規(guī)范規(guī)定的溫度梯度效應(yīng)值最大，英國規(guī)范效應(yīng)值最小。

(2)中國2015規(guī)范的混凝土橋面鋪裝溫度梯度產(chǎn)生的壓應(yīng)力約為瀝青鋪裝效應(yīng)的2倍。

(3)溫度梯度引起的主梁截面上緣壓應(yīng)力值比汽車荷載大，引起的主梁截面下緣拉應(yīng)力值比汽車荷載略小。

(4)根據(jù)分析結(jié)果可知，汽車效應(yīng)與橋梁跨徑及車道數(shù)量相關(guān)，溫度梯度效應(yīng)主要與主梁截面尺寸相關(guān)。

(5)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)，若按照中國2015規(guī)范及美國AASHTO規(guī)范二區(qū)的規(guī)定考慮溫度梯度，使用階段正截面壓應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)主梁混凝土則需采用比英國規(guī)范抗壓強(qiáng)度更高的主梁混凝土。

(6)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁采用混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí)，溫度梯度荷載產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力直接影響主梁截面的抗裂性能。

(7)在大跨度橋梁的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分考慮橋面鋪裝對溫度梯度的影響，必要時(shí)可進(jìn)行橋址處溫度梯度試驗(yàn)來確定合適的特征值，選擇合適的溫度梯度模式，避免浪費(fèi)材料，使得橋梁的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

[1]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]BS5400 Steel concrete and composite bridge.part2：specification for loads[S].Lindon：British Standards Institution，1990.

[3]AASHTO LRFD Bridge design Specifications[S].SI Units Third Edition，2004.

[4]JTG D62-2004，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[S].

Analysis on the Effect of Temperature Gradient on Large-span Continuous Girder Bridge

HOU Pan1，PENG Fang-mei2

(1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029；2.Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning，Guangxi，530003)

Using the calculation method for temperature gradient effect in relevant highway bridge spec-ifications in China，USA and UK，this article analyzed and compared the large-span prestressed con-crete continuous box-girder bridges with different spans，the results showed that China’s 2015 specifi-cation has the maximum temperature gradient effect value.It is recommended to conduct the tempera-ture gradient effect experiment at the place of large-span prestressed concrete continuous box-girder bridge adopting the concrete deck laying，so as to determine a more reasonable temperature gradient so that the bridge design can be more economical.

Temperature gradient；Bridge deck laying；Large-span concrete continuous girder bridge；Stress；Computing

U448.21+5

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.017

1673-4874(2016)09-0064-04

2016-04-20

侯 攀(1987—)，工程師，研究方向：橋梁檢測及加固；

彭放枚(1987—)，講師，研究方向：路橋和鐵道專業(yè)高職教育。