橋梁溫度效應(yīng)分析研究

郭鋼江

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)浙江市政設(shè)計(jì)院有限公司，杭州310000）

1 引言

高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋由于自身結(jié)構(gòu)特性（抗震能力較強(qiáng)、跨越能力較強(qiáng)），環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)的施工工藝（如懸臂法施工）等優(yōu)勢(shì)，最近幾十年取得了快速的發(fā)展。但與此同時(shí)，也伴隨橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增長(zhǎng)，橋梁出現(xiàn)裂縫等不良現(xiàn)象，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全及行車舒適性造成了不同程度的影響。

目前，世界上對(duì)于該型橋梁的病害原因歸類主要有橋梁自身收縮徐變及橋梁長(zhǎng)期不均勻溫度效應(yīng)變化等。本文主要從溫度效應(yīng)變化角度來(lái)分析。我國(guó)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》與美國(guó)AASHTO 規(guī)范、英國(guó)橋規(guī)BS 5400 中關(guān)于溫度梯度的理論計(jì)算公式有差異。因此，本文依托一座已建成的該型橋梁，通過(guò)三維溫度效應(yīng)計(jì)算模擬，對(duì)比分析中國(guó)、美國(guó)及英國(guó)規(guī)范中對(duì)溫度梯度的計(jì)算取值。

2 影響橋梁溫度效應(yīng)變化的因素

橋梁周圍的熱交換環(huán)境主要由3 方面組合：（1）橋梁結(jié)構(gòu)的幾何和材料屬性；（2）橋址處氣溫變化；（3）橋址處地形地貌特征。

而橋梁溫度效應(yīng)的變化本質(zhì)上受3 種因素影響[1]：太陽(yáng)輻射、輻射換熱、對(duì)流換熱。

3 工程概況

橋梁為102.75 m+160 m+160 m+102.75 m 5 跨變高截面連續(xù)剛構(gòu)橋，橋?qū)?2.0 m，主梁與橋墩固結(jié)，主梁與邊墩鉸接，橋墩高為46.0 m，為雙肢薄壁結(jié)構(gòu)；上部結(jié)構(gòu)為單箱單室截面，跨中梁高為3.3 m，中墩處梁高為9.5 m，梁高按二次拋物線變化。

4 基于ANSYS的橋梁溫度效應(yīng)分析

橋梁所處的溫度場(chǎng)主要受到太陽(yáng)輻射、輻射換熱及對(duì)流換熱的影響，而這些影響因素都是在不斷變化的。因此，橋梁自身的溫度場(chǎng)也是一個(gè)不斷變化的非線性問(wèn)題。通過(guò)ANSYS的瞬態(tài)熱分析[2,3]，建立全橋?qū)嶓w計(jì)算模型（橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)稱，計(jì)算模型取1/2 全橋長(zhǎng)度）。

根據(jù)橋址處歷史氣象資料，選取夏季及冬季各單個(gè)自然日中氣溫變化數(shù)據(jù)，并考慮太陽(yáng)對(duì)橋梁各個(gè)部位照射角度的變化，最后綜合考慮太陽(yáng)輻射、輻射換熱及對(duì)流換熱對(duì)橋梁的影響，計(jì)算橋梁的溫度效應(yīng)。

4.1 夏季橋梁溫度效應(yīng)分析

對(duì)橋位處夏季單個(gè)自然日中的溫度應(yīng)力進(jìn)行非線性連續(xù)計(jì)算，分別選取主跨跨中頂板、底板及腹板若干代表性的點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，溫度應(yīng)力點(diǎn)布置見圖1，單個(gè)自然日中主跨跨中截面各應(yīng)力點(diǎn)順橋向應(yīng)力變化見圖2。

圖1 溫度應(yīng)力點(diǎn)布置圖

圖2 夏季單個(gè)自然日中主跨跨中截面各應(yīng)力點(diǎn)順橋向應(yīng)力變化圖

4.2 冬季橋梁溫度效應(yīng)分析

在橋位處冬季單個(gè)自然日中的溫度應(yīng)力進(jìn)行非線性連續(xù)計(jì)算，單個(gè)自然日中主跨跨中截面各應(yīng)力點(diǎn)應(yīng)力變化見圖3。

圖3 冬季單個(gè)自然日中主跨跨中截面各應(yīng)力點(diǎn)順橋向應(yīng)力變化圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)ANSYS 對(duì)夏、冬季兩個(gè)橋梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程中經(jīng)歷的極端溫度場(chǎng)進(jìn)行非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，結(jié)論如下：

1）由于夏季熱交換環(huán)境變化程度比冬季要強(qiáng)，橋梁梁體內(nèi)的溫度應(yīng)力變化也比冬季要強(qiáng)（夏季應(yīng)力幅值最大5.7 MPa，冬季應(yīng)力幅值最大3.5 MPa）。因此，建議橋梁合龍形成最終受力體系的時(shí)間盡量選擇在橋位處全年平均氣溫出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)，最大限度地減小橋梁長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中溫度應(yīng)力幅值。

2）雖然夏季橋梁溫度應(yīng)力變化比冬季強(qiáng)，但由于梁體材料的熱脹冷縮及上部結(jié)構(gòu)超靜定體系的影響，冬季梁體處于溫度拉應(yīng)力的時(shí)間比夏季更多，且拉應(yīng)力極值也更大（夏季拉應(yīng)力極值為2.0 MPa，冬季拉應(yīng)力極值為2.7 MPa，極值均在箱室內(nèi)表面），因此，熱交換效應(yīng)更容易造成箱梁內(nèi)表面的溫度裂縫。

3）JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中規(guī)定，在距離頂板以下500 mm 范圍外沒(méi)有溫差效應(yīng)，而美國(guó)AASHTO規(guī)范及英國(guó)橋規(guī)BS 5400 中均考慮梁底一定高度范圍內(nèi)的溫差效應(yīng)，且最大溫差為3.0 ℃[4]，本次計(jì)算表明，底板溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力極值相較其他部位最大，因此，建議在橋梁設(shè)計(jì)階段，酌情考慮底板區(qū)域的溫差，以減少橋梁運(yùn)營(yíng)階段溫度裂縫的出現(xiàn)。