成橋階段橫向溫度梯度對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T形梁橋的影響

王文飛

摘要：文章以某典型高速公路在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T型梁橋為研究對象，采用abaqus有限元軟件對橋梁成橋階段進(jìn)行溫度場和溫度應(yīng)力分析，并與現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范的溫度梯度曲線、以及它們引起的溫度應(yīng)力進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明：成橋階段，規(guī)范傾向于不考慮主梁底部的溫差，在實際工程中對于地面反射率較大的地區(qū)，是否適用有待商榷;規(guī)范應(yīng)適當(dāng)考慮因日照產(chǎn)生的橫向溫差，隨著日照時間的延長，橫向溫差帶來的橫向溫度效應(yīng)對降低橫向抗拉強度是可觀的。

關(guān)鍵詞：橫向;溫差;溫度應(yīng)力

引言

橋梁長期處于露天環(huán)境中，在太陽輻射條件極端的地區(qū)，日照溫度作用的影響甚至超過恒載和活載成為主要控制作用，對橋梁的正常使用造成較大的危害。當(dāng)采用斜率不同的折線溫度梯度去計算溫度應(yīng)力時，根據(jù)前人的論文及結(jié)合溫度應(yīng)力計算理論易知，結(jié)果是相差很大的。人們對各類橋梁的溫度場都有不同的研究，成果如下。2009年，Dongening Li從幾何方面探討了變截面混凝土箱梁的溫度效應(yīng)，它認(rèn)為由于橫向溫差效應(yīng)的原因，所以不能忽略尺寸較大的箱梁所帶來的橫向溫度效應(yīng)。2012年，鑒于美國規(guī)范只對豎向溫度梯度做了規(guī)定，Jong-Han Lee通過一些混凝土梁試驗得到了橫向溫度梯度的結(jié)果。 2016年，聶利英結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，再利用數(shù)學(xué)中的最小二乘法，擬合出了梁肋的橫向正、負(fù)溫度梯度，并結(jié)合有限元軟件計算了考慮橫向溫度梯度時的效應(yīng)，并且和不考慮時進(jìn)行了對比。雷洛、李國平對規(guī)范中未明確指出的同時鋪裝有瀝青混凝土和水泥混凝土橋面的梯度溫度取值進(jìn)行了探討。通過重新設(shè)定計算溫度值，解決了難以直接考慮鋪裝混凝土層參與受力的問題。雖然前人對溫度場和溫度應(yīng)力進(jìn)行了大量研究，但一般局限于箱梁，對T梁的研究較少。 新版公路橋規(guī)只是對混凝土鋪裝和瀝青鋪裝情況進(jìn)行了單一的規(guī)定，新增了箱梁因截面特性而產(chǎn)生的橫向溫差，但對施工階段的無鋪裝情況沒有涉及，也沒有考慮不同地區(qū)的實際情況。鑒于此，本文著眼于成橋階段，以預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T形梁橋為研究對象，對以上規(guī)范待完善的地方進(jìn)行了討論。本文以30m+30m+30m在建預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為背景工程，采用abaqus有限元軟件預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋進(jìn)行瞬態(tài)溫度場分析，采用間接法分析T梁標(biāo)準(zhǔn)截面的溫度場和溫度效應(yīng)。六面體單元采用20節(jié)點二次傳熱六面體單元，四面體單元采用10節(jié)點二次四面體單元，先進(jìn)行熱分析，然后加上約束條件，將單元類型轉(zhuǎn)換為熱應(yīng)力單元，進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。

一、成橋階段直射腹板與規(guī)范溫度場比較

公路橋規(guī)在橫向溫度梯度方面的規(guī)定是并不全面的，一方面其未考慮太陽直射梁腹板產(chǎn)生的影響，另一方面也缺乏其他截面（如T梁等）橋梁的橫向溫度梯度規(guī)定。而歐洲結(jié)構(gòu)規(guī)范則明確規(guī)定了應(yīng)考慮因腹板受太陽直射而產(chǎn)生的水平向溫差。本文為了分析梁的最不利橫向溫差及橫向日照溫度梯度與豎向梯度的相似性，取腹板方位角為0度的情況，即梁腹板一側(cè)受到的太陽輻射最大。采用公路橋規(guī)的豎向溫度梯度基數(shù)值作為參考進(jìn)行橫向梯度溫度場研究。

根據(jù)自己利用abaqus軟件建模計算的結(jié)果可知，橫向和豎向的溫度梯度曲線規(guī)律基本上沒有多大差別，都為折線型;但溫度差異的最大值是有區(qū)別的，經(jīng)歷6小時的日照，橫向就可以達(dá)到46.7004℃的溫差，即使日照時間只有2h，溫差也達(dá)到了27.0284℃。所以當(dāng)太陽的輻射非常大的時候去進(jìn)行施工，時間上小于2h的時侯，按規(guī)范來計算橫向溫度梯度所帶來的效應(yīng)勉強是可行的;但一旦大于2h時，用規(guī)范的溫差去考慮橫向溫度效應(yīng)是非常不安全的。

二、成橋階段直射腹板與規(guī)范應(yīng)力場比較

遠(yuǎn)離太陽輻射垂直照射面一定距離，由于溫度恒定，溫度效應(yīng)應(yīng)等于0.但根據(jù)彈性理論力和位移的關(guān)系式可知，一旦有強迫位移的產(chǎn)生，由于整體勁度矩陣的作用，相應(yīng)的就會有力的產(chǎn)生。在實際工程中，由于橋面板、腹板和橫隔板之間的相互約束，遠(yuǎn)離腹板垂直照射面的地方的強迫位移是不為0的，自然溫度效應(yīng)也不為0，但具體是多大，有多大影響，下面就此進(jìn)行討論。

日照影響深度一般為0.4m，同樣用abaqus分析可知在遠(yuǎn)離太陽輻射垂直照射面的區(qū)域，規(guī)范橫向溫度梯度帶來的橫向溫度應(yīng)力很小，處于0～0.0046Mpa之間，基本可以忽略對橫向抗拉能力的影響。但實際情況是隨著照射時間的延長，遠(yuǎn)離太陽垂直照射面的區(qū)域拉應(yīng)力也迅速增大，橫向溫度應(yīng)力處于0～0.75Mpa之間，對于軸心抗拉強度設(shè)計值只有1.83Mpa的C50混凝土來說，對于橫向抗拉有較大影響。此外，對于預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁橋來說，一般傾向于配置縱向預(yù)應(yīng)力筋來抵消縱向拉應(yīng)力，橫向只配構(gòu)造鋼筋，這也讓我們應(yīng)該考慮橫向溫度效應(yīng)的影響。

三、結(jié)論

（一）成橋階段，對于溫度場在腹板底部出現(xiàn)了拐角三角形，對于這部分溫差，規(guī)范傾向于不考慮，這是否合理，對于日照時間較長的地區(qū)，還需要更深入的研究;把公路橋規(guī)中的溫度場和有限元分析得到的溫度場帶入到熱應(yīng)力分析中得到的溫度應(yīng)力進(jìn)行比較，由規(guī)范建議的溫度梯度曲線得到的溫度應(yīng)力是滿足要求的。

（二）公路橋規(guī)對于橫向溫度梯度相應(yīng)規(guī)定主要針對的是箱梁這種類型的橋梁，對于寬翼緣的橋梁來說，規(guī)范這樣考慮可能是合適的，但對于窄翼緣、太陽輻射強烈、日照時間較長的情況來說，規(guī)范的做法是否還合適，這值得商榷;日照垂直照射腹板時，遠(yuǎn)離太陽輻射的垂直照射面一定距離，規(guī)范溫度場帶來的橫向溫度應(yīng)力很小，處于0～0.0046Mpa之間，幾乎可以忽略。但對于實際工程中，隨著太陽垂直照射時間的延長，這些地方得到的橫向溫度應(yīng)力對于降低橫向抗拉能力是可觀的，橫向溫度應(yīng)力處于0～0.75Mpa之間，與規(guī)范相差兩個數(shù)量級。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[M].北京：人民交通出版社，1991

[2]Dongning Li，Marc A.Maes.Walter H.Dilger.Evalution of temperature of confederation bridge：Thermal loading and movement at expansion joint[A].Structures Congress，2008.ASCE 2008。

[3]Jong-Han Lee. Investigation of Extreme Environmental Conditions and Design Thermal Gradients during Construction for Prestressed Concrete Bridge Girders[J].Journal of Bridge Engineering，2012，17 （3 ）：547-556。

[4]聶麗英，劉明坡，朱倩，李杰.基于實測的混凝土箱梁腹板橫向溫度效應(yīng)研究[J].世界橋梁.2016，3

[5]雷洛，李國平.考慮混凝土鋪裝層作用的橋梁梯度溫度取值方法[J].中外公路，2015，35（06）：186-189.

作者單位：重慶交通大學(xué)土木學(xué)院