溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析

向木生 張文濤

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力混凝土在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。在設(shè)計(jì)、施工、測(cè)量等過(guò)程中，溫度是設(shè)計(jì)中需考慮的內(nèi)容，如澆筑及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中混凝土水化熱產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)內(nèi)、外溫差，日照作用下結(jié)構(gòu)表面升溫等都是溫度變化的因素，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、橋梁施工控制和結(jié)構(gòu)測(cè)試時(shí)應(yīng)充分考慮溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。

以某大橋?yàn)槔?，根?jù)橋梁溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，建立箱梁懸澆階段和成橋狀態(tài)下的溫度引起的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化模型，進(jìn)行溫度對(duì)箱梁應(yīng)力和撓度影響的計(jì)算與分析，討論溫度效應(yīng)的重要性。

1 箱梁豎向溫度場(chǎng)

1.1 溫度梯度模式

目前主要的溫度梯度模式有：①英國(guó)BS5400；②美國(guó)荷載規(guī)范；③新西蘭橋梁規(guī)范；④我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱《橋規(guī)》)。

我國(guó)《橋規(guī)》溫度梯度模式是在對(duì)其他3種模式進(jìn)行多座橋梁的應(yīng)力計(jì)算比較基礎(chǔ)上，采用美國(guó)規(guī)范的溫度梯度曲線，并做相應(yīng)調(diào)整后得到的，溫度梯度曲線見圖1，其溫度計(jì)算基數(shù)見表1。

圖1 中國(guó)《橋規(guī)》溫度梯度曲線

表1 豎向日照溫差計(jì)算的溫度基數(shù) ℃

1.2 溫度分布規(guī)律

日照作用下，混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布規(guī)律見圖2，豎向溫差分布規(guī)律[2-3]為

t(y)=t0ye-Cyy

式中：t0y為頂板、底板溫差，通常取15 ℃，豎向溫差計(jì)算時(shí)取20 ℃；Cy為指數(shù)系數(shù)，通常取10；y以m計(jì)。

圖2 溫度分布規(guī)律

2 溫度效應(yīng)計(jì)算與分析

2.1 實(shí)例工程概況

某橋是省道改建工程中的一座大橋。主橋采用移動(dòng)掛籃逐節(jié)懸澆施工，邊跨現(xiàn)澆段搭支架澆筑。主橋上部結(jié)構(gòu)為40 m+5×70 m+40 m的三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁截面采用單箱單室。橋型布置見圖3。

圖3 橋型布置圖(單位：m)

2.2 溫度效應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算建模

利用midas Civil有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，建立溫度效應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，溫度梯度模式采用我國(guó)《橋規(guī)》。由于該橋是三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，采用懸臂施工方法，因此，為分析溫度對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)的影響，考慮2個(gè)較大的施工階段建立溫度效應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型：①建立懸臂施工階段模型，分別選取各節(jié)段張拉后箱梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)建模，如圖4a)，b)，c)分別為第1，5，9階段張拉后結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，依次對(duì)應(yīng)第1節(jié)段懸臂、1/2懸臂及最大懸臂階段狀態(tài)；②全橋合龍張拉完成后，建立全橋模型，見圖5。全橋共劃分146個(gè)單元。

圖4 懸臂階段結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖5 全橋合龍后計(jì)算模型

建模分析時(shí)，僅考慮豎向溫度變化對(duì)箱梁上部結(jié)構(gòu)的影響，未考慮橫向、縱向溫差對(duì)結(jié)構(gòu)及橋墩溫度效應(yīng)對(duì)箱梁上部結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 溫度變化對(duì)箱梁應(yīng)力影響分析

為形象描述箱梁各節(jié)段位置，圖6示意了其中一個(gè)橋墩(7號(hào)墩)處箱梁一端各節(jié)段位置(或截面位置)與編號(hào)。從7號(hào)墩至跨中依次為0～9號(hào)塊，共10個(gè)節(jié)段，其中0號(hào)塊箱梁長(zhǎng)10 m，1～5號(hào)箱梁長(zhǎng)3 m，6～9號(hào)塊箱梁長(zhǎng)3.5 m。

圖6 7號(hào)墩處箱梁各節(jié)段平面示意圖

1) 懸澆階段根部應(yīng)力分析。溫度效應(yīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，采用非線性溫度梯度，分別考慮了頂板升溫Δt=5，10，20 ℃ 3種工況，計(jì)算分析了溫度變化對(duì)根部箱梁頂板(1截面)應(yīng)力的影響[4]。

在箱梁施工的懸臂階段，溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 溫度對(duì)根部頂板應(yīng)力影響變化表

由表2可見，各階段的溫度變化對(duì)根部頂板應(yīng)力均有一定影響，且在同一工況下，隨著懸臂段長(zhǎng)度的增加，應(yīng)力變化增大；隨著內(nèi)外溫差的增大，應(yīng)力變化也在增加。

2) 全橋合龍后應(yīng)力分析。在全橋合龍后，溫度對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)根部頂板應(yīng)力的影響計(jì)算結(jié)果見表3。上、下緣溫度應(yīng)力沿橋縱向變化規(guī)律見圖7。

表3 溫度對(duì)根部頂板應(yīng)力影響變化表

圖7 溫度(Δt=5 ℃)對(duì)全橋應(yīng)力影響變化曲線

由圖7可見，溫度變化對(duì)箱梁各截面應(yīng)力有一定影響，特別是在箱梁跨中截面影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，箱梁上緣主要為壓應(yīng)力，下緣主要為拉應(yīng)力?？缰薪孛嫔暇墘簯?yīng)力峰值達(dá)1.38 MPa，下緣拉應(yīng)力峰值達(dá)1.75 MPa。

2.4 溫度變化對(duì)箱梁撓度影響分析

計(jì)算溫度效應(yīng)時(shí)，采用非線性溫度梯度，分別計(jì)算頂板升溫Δt=5，10，20 ℃ 3種工況下溫度變化對(duì)箱梁各截面撓度的影響。并考慮最大懸臂段(9號(hào)塊)張拉階段，頂板降溫10 ℃時(shí)，溫度變化對(duì)箱梁各截面撓度的影響。提取升溫與降溫(Δt均為10 ℃)的有限元計(jì)算結(jié)果，見表4、表5。

表4 升溫工況撓度變化(10 ℃) cm

表5 頂板降溫時(shí)撓度變化(10 ℃) cm

為直觀反映溫度對(duì)箱梁撓度的影響，提取升溫模式各工況下，9號(hào)塊張拉階段各截面撓度變化值以及表5數(shù)據(jù)。分別從升溫及降溫分析溫度變化對(duì)箱梁各截面撓度的影響，見圖8。

圖8 溫度變化對(duì)撓度的影響

結(jié)果顯示，撓度受溫度影響較大。由圖8a)可見，升溫模式各工況下，撓度值隨截面與支座距離的增加而逐漸增大，且溫度變化越大，撓度負(fù)增量越明顯(向下)，當(dāng)Δt升20 ℃時(shí)，撓度峰值達(dá)-1.64 cm；由圖8b)可見，降溫模式下，箱梁撓度正增長(zhǎng)(向上)，具有與升溫模式變化曲線反向的規(guī)律，越靠近支座，撓度變化越小，當(dāng)Δt降10 ℃時(shí)，撓度峰值達(dá)0.62 cm。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)選擇合適的溫度梯度模式，使計(jì)算值更接近真實(shí)值。

2) 溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力有一定影響。在懸臂各階段，溫度變化對(duì)根部截面上緣應(yīng)力影響較小，箱梁合龍后，溫度變化對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響較大。

3) 溫度變化對(duì)箱梁撓度的影響較大。升溫模式下溫度越高，箱梁負(fù)撓度值越大；降溫模式下，箱梁撓度正增長(zhǎng)；溫度變化對(duì)根部撓度影響較小，對(duì)懸臂最遠(yuǎn)端撓度影響最大。合龍后對(duì)跨中撓度影響最大。

[1] 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社,2015.

[2] 管龍.環(huán)境溫度對(duì)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)力-變形影響研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué), 2013.

[3] 周俊,羅凌峰.溫度自應(yīng)力對(duì)連續(xù)鋼構(gòu)橋的影響[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì),2015(20):1959-1961.

[4] 包龍生,宋濤,于玲,等.基于溫度應(yīng)力對(duì)大跨度橋梁施工監(jiān)控的影響分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2015(1):264-269.