環(huán)境溫度作用對箱梁頂板橫向受力的影響研究

李波

摘要：文章研究了常見的幾種環(huán)境溫度作用對箱梁橋頂板橫向受力的影響，主要包括豎向溫度梯度（施工期和運營期）、雙向溫度梯度、箱室內(nèi)外溫差效應(yīng)等。通過理論分析和實橋跟蹤觀測表明：豎向溫度梯度效應(yīng)影響較為明顯，雙向溫度梯度會加強這一影響;箱室內(nèi)外負(fù)溫差將對頂板下緣產(chǎn)生拉應(yīng)力，“施工期”豎向溫度梯度效應(yīng)最為明顯，設(shè)計施工中應(yīng)予以關(guān)注。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;箱梁;溫度作用;橫向受力;實橋觀測

中圖分類號：U448.213 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.021

文章編號：1673-4874（2019）08-0076-04

0引言

頂板縱向開裂是懸臂澆筑施工預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋中較為普遍的病害之一，即使在設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力的箱梁中，縱向開裂病害仍然高達70%。文獻從橫向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)、溫度效應(yīng)、混凝土收縮效應(yīng)等多個方面對縱向裂縫成因進行了研究和分析，指出了溫度效應(yīng)對箱梁橫向受力的顯著影響。同樣，關(guān)于箱梁橋環(huán)境溫差效應(yīng)，國內(nèi)眾多學(xué)者_6卅也進行了大量的研究，提出了適合箱梁橋的豎向溫度梯度模式，并與《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中給出的溫度梯度模式進行了對比分析。

本文研究不再對溫度梯度模式的取值進行深入探討，直接參照選用《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中給定的豎向溫度梯度模式進行分析，并結(jié)合實橋觀測結(jié)果就箱梁橋頂板縱向裂縫與環(huán)境溫度作用的關(guān)系進行研究。

1溫度作用選取

如引言中所述，箱梁的豎向溫度梯度作用在溫度作用對混凝土箱梁的影響方面占主導(dǎo)地位，因此國內(nèi)外橋梁設(shè)計規(guī)范在考慮箱梁結(jié)構(gòu)的溫度作用時，基本只考慮箱梁的豎向溫度梯度，把三維的箱梁溫度場轉(zhuǎn)化為一維問題。但是采用不同的溫度作用模式計算得到的溫度應(yīng)力相差很大。本文的研究內(nèi)容主要包括：豎向溫度梯度對箱梁頂板橫向應(yīng)力的影響分析（包括施工期和運營期）;雙向溫度梯度對頂板橫向應(yīng)力的影響分析;箱梁室內(nèi)外溫差溫度應(yīng)力的影響分析。具體工況如表1所示。

幾個溫度梯度模式的選取主要考慮以下幾點：

（1）10cm瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)類型的豎向溫度模式直接選用JTG D60-2015中相應(yīng)的模式。

（2）在缺乏對公路橋梁橫向溫差模式相關(guān)規(guī)定的情況下，參照《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計規(guī)范》（TB10002.3-2005）中的梯度溫度模式。一般認(rèn)為，公路橋涵規(guī)范未考慮橫向溫度梯度對箱梁結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為公路橋梁有較長的懸臂端，兩側(cè)腹板受太陽直接輻射較少。實際上，橋梁橫向溫差取決于太陽和橋梁的傾角，當(dāng)橋梁為東西走向時，箱梁兩個腹板在同一時間只有一個受到太陽輻射，此時橫向溫差對箱梁應(yīng)力的影響不可忽略。鐵路橋規(guī)中箱梁按梁高、梁寬方向的溫差曲線按照下式計算：

（3）對于混凝土箱梁，由于箱室內(nèi)空氣處于封閉狀態(tài)，其氣溫相對比較穩(wěn)定。當(dāng)外界氣溫變化時，箱梁室內(nèi)外會產(chǎn)生溫差效應(yīng)。東南大學(xué)葉見曙教授以及湖南大學(xué)方志教授等學(xué)者通過對實橋的溫度觀測，證實了這種現(xiàn)象。筆者對主跨65m的變截面連續(xù)梁橋觀測數(shù)據(jù)顯示，測試時間段內(nèi)箱室內(nèi)外溫差最大約為±6℃。見圖1。

（4）我國規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度荷載通常用于正常使用階段的受力分析，而在橋梁建設(shè)過程中，往往存在不利于頂板橫向受力的階段，例如我們將大跨連續(xù)箱梁橋合龍段合龍后而橋面鋪裝未攤鋪的階段定義為“施工期”。在此階段，因橋面鋪裝未進行攤鋪，梁體呈裸梁狀態(tài)，環(huán)境溫度作用更為顯著，有必要針對這一階段的溫度梯度效應(yīng)進行分析。文獻提出，施工期箱梁豎向溫度梯度效應(yīng)遠(yuǎn)大于瀝青混凝土鋪裝攤鋪后，并給出了部分實測數(shù)據(jù)，但既有研究并未對這一工況進行深入研究，提出更具有普適性的溫度模式。因此，本文對于這一工況溫度模式的選擇采用JTG D60-2015中水泥混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)類型下的溫度模式。

2計算分析結(jié)果

以某常見三車道高速公路主跨60m連續(xù)箱梁橋為依托工程進行計算。箱梁寬13.65m，箱梁頂板厚度為0.28m，頂板內(nèi)按間距50cm設(shè)置3-S15.2扁錨體系橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。底板厚度按2次拋物線，由跨中的0.3m變化至距O號塊中心線3.0m處的0.6m。箱梁腹板厚度分別為：1～3號梁段采用0.75m，5～6號梁段采用0.45m，4號梁段由0。75m直線漸變到0.45m。

利用ANSYS軟件建立箱梁的平面框架模型，通過施加表1中不同溫度梯度模式作用，并提取箱梁典型斷面頂板下緣橫向應(yīng)力數(shù)值進行比較分析。

2.1單向溫度梯度

按照表1中所列10cm瀝青混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)類型模式下的溫度梯度模式（溫度基數(shù)14℃）進行計算，計算結(jié)果如圖2所示。由圖2可以發(fā)現(xiàn)：頂板最大橫向應(yīng)力位于頂板中央，在梯度升溫模式下，頂板下緣表現(xiàn)為拉應(yīng)力，量值水平約為3.5MPa;梯度降溫模式作用下，頂板下緣為壓應(yīng)力，量值水平較低。常規(guī)3-Ф。15.2橫向預(yù)應(yīng)力作用下形成下緣壓應(yīng)力為4.5MPa左右，可見溫度梯度作用對箱梁頂板橫向受力影響較大。

2.2雙向溫度梯度

考慮到雙向溫度梯度作用下溫度荷載的不對稱性，對模型施加表1中所示雙向溫度梯度，計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可以發(fā)現(xiàn)：在雙向溫度梯度模式下，箱梁頂板下緣出現(xiàn)較大的橫向拉應(yīng)力，接受日光照射的腹板內(nèi)側(cè)出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，但數(shù)值較小。在雙向溫度梯度模式下，跨中截面頂板下緣最大橫向拉應(yīng)力約為4.0MPa，單向溫度梯度模式下約為3.5MPa，跨中截面最大橫向拉應(yīng)力提高約15%。

2.3箱室內(nèi)外溫差效應(yīng)

按照箱室內(nèi)外溫差5℃、8℃分析箱室內(nèi)外溫差效應(yīng)的影響程度，計算結(jié)果如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)室內(nèi)外溫差為-5℃（即室內(nèi)溫度低于室外溫度）時，箱梁頂板下緣會出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力，量值水平為2.5MPa左右;當(dāng)室內(nèi)外溫差為-8℃時，量值水平為4.0MPa左右。即箱室內(nèi)部溫度低于外部溫度時，溫差每增大1℃，頂板下緣橫向拉應(yīng)力提高約0.5MPa。

2.4施工期溫度效應(yīng)

筆者曾對10余座連續(xù)梁橋頂板縱向裂縫進行跟蹤觀測，從箱梁懸澆施工期一直到通車后一段時間進行連續(xù)跟蹤觀測。從監(jiān)測結(jié)果看，箱梁頂板裂縫密集出現(xiàn)的時間段落多數(shù)是在橋梁合龍后，而正式通車后箱梁頂板裂縫并未見顯著新增或擴展。筆者就這一情況進行了思考：一般大跨徑橋梁作為工程項目的節(jié)點性工程，往往會提前貫通，但由于受全線工程進度的影響，合龍后橋面鋪裝往往長時間不進行攤鋪，此時裸梁在夏季將受到太陽直射，其勢必將產(chǎn)生較強的溫度梯度效應(yīng)。

如前所述，在缺少大量實測數(shù)據(jù)和普適性溫度模式的情況下，本文采用JTG 1360-2015中水泥混凝土鋪裝結(jié)構(gòu)類型溫度模式進行了計算分析，結(jié)果如圖5所示。施工期階段溫度梯度作用下，箱梁典型截面頂板下緣橫向拉應(yīng)力為4。9MPa，遠(yuǎn)大于運營期溫度梯度作用時的3.5MPa。這里需要說明的是：規(guī)范中雖然考慮了水平混凝土橋面鋪裝情況下的溫度梯度，但往往“施工期”箱梁完全處于裸梁狀態(tài)，其受日照梯度作用可能更加顯著。

3裂縫觀測結(jié)果

本節(jié)列出筆者跟蹤觀測的一座連續(xù)梁橋頂板縱向裂縫發(fā)展情況，主要裂縫數(shù)量如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)主橋施工完成，連續(xù)箱梁縱向體系形成后，雖然橋梁尚未通車，但在裸梁狀態(tài)情況下，經(jīng)過夏季高溫的影響，箱梁頂板縱向裂縫數(shù)量仍然有較大幅度增長，與之前計算結(jié)果較為吻合。

4結(jié)語

通過對既有規(guī)范和資料中幾種溫度作用模式對箱梁橫向受力影響的分析，形成主要結(jié)論和建議如下：

（1）箱梁豎向梯度溫度對箱梁頂板橫向受力影響較大，背景橋梁箱梁頂板橫向拉應(yīng)力最大值約為3.5MPa左右，量值明顯，在箱梁橋橫向設(shè)計時應(yīng)給予關(guān)注。

（2）雙向溫度梯度與單向溫度梯度產(chǎn)生的橫向應(yīng)力在頂板的分布規(guī)律大致相同。但在雙向溫度梯度作用下，橫向拉應(yīng)力大小相比于單向溫度梯度提高約15%，箱梁橫向受力更為不利，在對特定位置橋梁箱梁橫向設(shè)計計算時應(yīng)予以考慮。

（3）室內(nèi)外溫差為負(fù)溫差情況下，頂板下緣出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力;最不利情況下，溫差每增加1℃，頂板下緣橫向拉應(yīng)力提高約O。5MPa。

（4）“施工期”溫度梯度對箱梁橫向受力影響較大，溫度梯度會在頂板下緣產(chǎn)生約5MPa的橫向拉應(yīng)力，量值較一般設(shè)計時考慮的運營期溫度梯度增加明顯。但“施工期”溫度梯度模式中溫度基數(shù)25℃是指一年中存在的最大溫差，而施工期時間相對運營期時間較短。根據(jù)施工季節(jié)的不同，施工期的溫度梯度作用會存在很大的變異性，這與箱梁頂板縱向裂縫產(chǎn)生的不確定性特征較為吻合。

（5）設(shè)計時應(yīng)對“施工期”溫度梯度作用對箱梁橫向受力的影響予以考慮，在橋梁施工過程中針對高溫季節(jié)長時間裸梁這一過程也可以采用臨時隔熱措施以減弱日照溫差影響。