高海拔山區(qū)鐵路鋼-混凝土結(jié)合梁溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng)研究

魏欣宇,陳克堅(jiān),徐昕宇

(1.西南交通大學(xué)橋梁工程系,成都 610031； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

引言

橋梁結(jié)構(gòu)受太陽(yáng)輻射、空氣對(duì)流等環(huán)境因素影響，同時(shí)自身也不斷向外進(jìn)行熱輻射，結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成不均勻的溫度場(chǎng)，同時(shí)，該溫度場(chǎng)隨著外界環(huán)境的變化和內(nèi)部的熱交換而發(fā)生變化。溫度作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響不能忽略，較大的溫度作用會(huì)造成不利影響[1-2]，由混凝土和鋼梁依靠剪力釘連接形成的結(jié)合梁因其材料性能的差異，結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度場(chǎng)分布更加復(fù)雜。ZUK，HYLSEY等[3-4]在對(duì)結(jié)合梁的研究中發(fā)現(xiàn)，混凝土板中的豎向溫度梯度較大，而鋼梁的溫度分布比較均勻。陳煥新等[5]模擬青藏高原的復(fù)雜氣溫條件，進(jìn)行了結(jié)合梁溫度分布的理論和實(shí)驗(yàn)研究；劉江等[6]以青海海黃大橋?yàn)楸尘埃⒘擞邢拊Ｐ停玫搅烁咴吆貐^(qū)鋼-混凝土組合梁的豎向溫度梯度模式。

隨著西部地區(qū)大力開(kāi)展鐵路建設(shè)，結(jié)構(gòu)輕型、簡(jiǎn)單、易于運(yùn)輸、維護(hù)成本較低的工字鋼結(jié)合梁成為西部高海拔地區(qū)鐵路建設(shè)優(yōu)選橋型之一。西部地區(qū)的海拔、大氣透明度較高，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射和日間大氣溫差較高，由此會(huì)給橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)較大的溫度荷載。然而，過(guò)往研究中關(guān)于山區(qū)大溫差、高輻射條件下結(jié)合梁溫度場(chǎng)分布和溫度效應(yīng)研究較少[7]。

以某32 m雙工字鋼-混凝土結(jié)合梁為研究對(duì)象，建立有限元模型，通過(guò)熱力學(xué)分析獲得高海拔山區(qū)高輻射、大溫差條件下的結(jié)合梁溫度場(chǎng)，將溫度場(chǎng)加到考慮滑移的三維精細(xì)有限元模型上，分析結(jié)合梁的溫度效應(yīng)。并將有限元模擬溫度梯度與GB50917—2013《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“《規(guī)范》”)溫度梯度對(duì)橋梁產(chǎn)生的溫度效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，得到按《規(guī)范》和按有限元模擬溫度梯度設(shè)計(jì)結(jié)合梁溫度荷載的差異。

1 高海拔地區(qū)鐵路結(jié)合梁溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)求解方法

1.1 求解方法

結(jié)合梁的橋梁結(jié)構(gòu)溫度分布，是指在太陽(yáng)輻射、熱輻射、空氣對(duì)流等大氣條件下，橋梁朝向、橋梁結(jié)構(gòu)、材料熱傳導(dǎo)速率等內(nèi)部條件下形成的不均勻溫度分布[8]。

結(jié)合梁的豎向溫度分布滿(mǎn)足導(dǎo)熱微分方程，假設(shè)結(jié)合梁截面沿橋梁縱向尺寸沒(méi)有變化且橋梁沿縱向沒(méi)有熱傳導(dǎo)，在混凝土板和鋼梁的分界接觸面保持混凝土板和鋼梁的接觸點(diǎn)溫度一致，可得出無(wú)熱源的二維導(dǎo)熱微分方程

(1)

式中，ρ為材料密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·℃)；T為結(jié)合梁的溫度，℃；t為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。鐵路結(jié)合梁保護(hù)層采用纖維混凝土，各材料熱工參數(shù)可參照表1取值[6，9]。

表1 材料熱工參數(shù)

日間太陽(yáng)輻射、年溫度變化、驟然降溫均會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，邊界條件主要考慮日間太陽(yáng)輻射、熱輻射、空氣對(duì)流引起的溫度荷載。日照下結(jié)合梁換熱過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 日照下結(jié)合梁換熱過(guò)程

被空氣流體包裹的橋梁結(jié)構(gòu)，因?yàn)榄h(huán)境空氣的運(yùn)動(dòng)時(shí)刻進(jìn)行著對(duì)流換熱，基于熱力學(xué)定律，對(duì)流換熱熱流密度可表示為

qc=hc(Tb-Te)

(2)

式中，qc為對(duì)流換熱熱流密度，W/m2；hc為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)，受風(fēng)速等因素影響，可按式(3)取值[10]，其中v為平均風(fēng)速，m/s；Tb、Te分別為結(jié)構(gòu)表面溫度和大氣溫度，℃。

hc=4v+5.99

(3)

太陽(yáng)輻射分為直接輻射、反射、散射，板件所受的輻射受太陽(yáng)赤緯、大氣透明度、太陽(yáng)高度角等因素影響，總輻射量可表示為[11]

ID=I0Pm

(4)

(5)

式中，ID為經(jīng)過(guò)衰減后到達(dá)結(jié)構(gòu)表面的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；I0為太陽(yáng)常數(shù)，W/m2；P為大氣透明度；m為大氣光學(xué)質(zhì)量；qs為總輻射量熱流密度，W/m2；φ為太陽(yáng)入射角；βn為結(jié)構(gòu)的外法線高度角；βs為太陽(yáng)高度角；Idh為水平面上的散射輻射強(qiáng)度，W/m2；ξ為地面對(duì)太陽(yáng)輻射的反射率，一般取0.2[12]。根據(jù)中國(guó)氣象局的公布數(shù)據(jù)，研究列出了日喀則等4個(gè)典型高海拔地區(qū)近5年夏季最高溫度、最低溫度、地理位置參數(shù)、累年平均風(fēng)速匯總見(jiàn)表2。

表2 高海拔地區(qū)大氣溫度

影響太陽(yáng)輻射的主要因素包括大氣透明度、日地距離等，高海拔地區(qū)通常污染較少，大氣透明度較高，這導(dǎo)致了高海拔山區(qū)的太陽(yáng)輻射較高，高海拔地區(qū)大都為3級(jí)大氣透明度[13]，可根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)一取為0.769[14]。日地距離主要取決于日序數(shù)和地理緯度，高海拔地區(qū)緯度通常較低，此時(shí)地區(qū)更靠近赤道，太陽(yáng)輻射也更大，根據(jù)表2，本文取為北緯26°N。日序數(shù)即通常意義的月份和日期，選取6月21日作為研究日期，此時(shí)太陽(yáng)直射點(diǎn)位于北回歸線(約為北緯23.5°)附近，太陽(yáng)輻射最大。

根據(jù)上述分析，高海拔地區(qū)結(jié)合梁結(jié)構(gòu)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可按圖2加載。

圖2 高海拔地區(qū)結(jié)合梁太陽(yáng)輻射模式

有懸臂結(jié)構(gòu)的橋梁，腹板受到翼緣遮擋而形成的陰影區(qū)域不能接受太陽(yáng)直接輻射，陰影高度受橋梁走向、懸臂寬度等因素影響，按下式取值

(6)

式中，lw為腹板陰影高度；lc為翼緣懸臂寬度；βs為腹板傾角；γw為腹板方位角；γs為太陽(yáng)方位角。

無(wú)論橋梁何種走向，太陽(yáng)輻射均主要照射到橋梁表面的保護(hù)層，除日出日落，腹板大部分時(shí)間處于陰影區(qū)域中。本文橋梁走向?yàn)檎险弊呦颍撟呦蛳聵蛄焊拱迨艿阶畲筇?yáng)輻射，混凝土板和鋼梁溫差較大，對(duì)日間結(jié)合梁造成更不利影響。

物體時(shí)刻向外進(jìn)行熱輻射，同時(shí)吸收外界物體的輻射，即為輻射換熱。根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律和基爾霍夫定律，結(jié)構(gòu)輻射計(jì)算式可表示如下[11]

(7)

式中，qr為熱輻射熱流密度，W/m2；hr為輻射換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；主要與結(jié)構(gòu)表面的熱輻射率以及環(huán)境溫度有關(guān)，計(jì)算公式可近似地表示為[15]

hr=0.88[4.8+0.075(Te-5)]

(8)

由表2可知，高海拔地區(qū)夏季溫差均較大，最不利溫差均為15 ℃以上，本文取這4個(gè)典型地區(qū)的平均溫差17 ℃進(jìn)行分析。一天內(nèi)的大氣溫度表達(dá)式通過(guò)式(9)求得[16]，得到的高海拔地區(qū)日間環(huán)境氣溫邊界條件如圖3所示，分析中累年平均風(fēng)速可取1.8 m/s。

(9)

式中，Tmax為日間最大環(huán)境氣溫，℃；Tmin為日間最小環(huán)境氣溫，℃；t為時(shí)間，h；a、b為隨時(shí)間變化的參數(shù)，0≤t<6時(shí)，a=18，b=16，6≤t<14時(shí)，a=-10，b=8，14≤t<24時(shí)，a=-6，b=16。

圖3 高海拔地區(qū)日間氣溫變化曲線

邊界條件確定后，可由熱微分方程求得溫度場(chǎng)分布。對(duì)于結(jié)合梁來(lái)說(shuō)，微分方程不易求解，可采用有限單元法求得溫度場(chǎng)分布的數(shù)值解[17-18]。將溫度荷載與其他設(shè)計(jì)荷載共同加載于結(jié)構(gòu)上，可以求得在僅有溫度作用和主力及溫度共同作用下的橋梁結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)[19]。

1.2 模型驗(yàn)證

為研究依靠上述熱力學(xué)基本原理和熱邊界取值方法所建立的二維結(jié)合梁熱分析模型的合理性，建立模型與文獻(xiàn)[11]結(jié)合梁實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合梁結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料熱工參數(shù)和氣象地理參數(shù)采用文獻(xiàn)[11]的參數(shù)：主梁鋼箱梁高2.11 m，寬3 m，混凝土橋面板寬8 m，板厚為230～460 mm，橋面鋪裝采用5 cm厚瀝青混凝土鋪裝，鋼梁腹板外延懸臂2.5 m。地理位置為東經(jīng)120°E、北緯30°N，橋梁走向?yàn)檎险弊呦颉Ｓ?jì)算時(shí)間為夏季7月，日序數(shù)210，日最高氣溫30 ℃，日最低氣溫20 ℃，日平均風(fēng)速1 m/s，分別取與東側(cè)鋼梁腹板在同一豎直線上的瀝青混凝土下表面、東側(cè)鋼梁腹板2/3高為測(cè)點(diǎn)Y1、Y2，本文模型與實(shí)測(cè)的溫度時(shí)程對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，按照本章理論和方法所建立的二維熱分析模型與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)一致，差異在研究允許范圍內(nèi)，說(shuō)明按照本章理論和方法建立的二維熱力學(xué)分析模型是合理的。

圖4 本文模型與實(shí)測(cè)的溫度時(shí)程對(duì)比

2 高海拔地區(qū)結(jié)合梁溫度場(chǎng)計(jì)算實(shí)例及溫差對(duì)溫度場(chǎng)的影響研究

2.1 工程概況及二維有限元模型

以某高海拔山區(qū)鐵路32 m雙工字鋼-混凝土結(jié)合梁為研究背景，典型橫截面如圖5所示，該結(jié)合梁截面梁高3.2 m，橋面寬11.6 m，跨度為32 m，混凝土橋面厚度為0.2～0.4 m，兩個(gè)鋼板梁間距為5.4 m，橋面采用6 cm厚纖維混凝土保護(hù)層，橫隔板間距為6 m，橋梁為正南正北走向?；炷涟宀捎肅55，鋼梁采用Q370qD。

圖5 鋼-混凝土結(jié)合梁典型截面示意(單位：mm)

建立基于ANSYS的二維有限元熱分析模型，其中混凝土和鋼板均采用平面單元plane55模擬，有限元模型半截面及測(cè)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 有限元半截面及溫度測(cè)點(diǎn)

2.2 高海拔地區(qū)結(jié)合梁溫度場(chǎng)

分析在同樣氣候條件下 7 d內(nèi)的溫度響應(yīng)，以消除初始溫度的不確定性所帶來(lái)的誤差。取溫度分布趨于穩(wěn)定的第7日溫度時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 第7日溫度時(shí)程曲線

從圖7可以看出，測(cè)點(diǎn)的溫度為正弦變化，與現(xiàn)有研究結(jié)論相符[7]，且各測(cè)點(diǎn)的溫度變化率和升降溫拐點(diǎn)均不同，其中，保護(hù)層和混凝土測(cè)點(diǎn)的溫度變化率較高，鋼梁先于混凝土升溫和降溫。將保護(hù)層和混凝土的豎向測(cè)點(diǎn)加密并得到圖8的6：00～18：00豎向溫度分布曲線和圖9的18：00～6：00豎向溫度分布曲線。

圖8 6:00～18:00豎向溫度分布

圖9 18:00～6:00豎向溫度分布

由圖8、圖9可知，高海拔地區(qū)鐵路結(jié)合梁的溫度場(chǎng)可分為兩種模式，即日間的升溫過(guò)程和夜晚的降溫過(guò)程。無(wú)論升溫過(guò)程還是降溫過(guò)程，除鋼梁頂面與底面的一定高度范圍內(nèi)，鋼梁沿高度方向上的溫差均較小，并在中部一段高度內(nèi)，溫差幾乎為0。混凝土橋面板內(nèi)溫差較大，在纖維混凝土保護(hù)層內(nèi)，溫差最大。在山區(qū)高輻射、大溫差的條件下，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，單位時(shí)間氣溫上升快，導(dǎo)致保護(hù)層表面和鋼梁的溫度上升較快，而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)較低，混凝土內(nèi)部溫度與鋼梁、保護(hù)層表面均有較大的溫度差距。

日間升溫過(guò)程中結(jié)合梁的最大正溫差發(fā)生在約14:00，混凝土內(nèi)部最大溫差為10.49 ℃，混凝土與鋼梁最大溫差6.32 ℃。夜間降溫過(guò)程中結(jié)構(gòu)的最大溫差約發(fā)生在3:00，混凝土內(nèi)部最大溫差為2.67℃，混凝土和鋼梁最大溫差10.44 ℃。

2.3 溫差增大對(duì)結(jié)合梁溫度場(chǎng)的影響及有限元模擬溫度梯度與《規(guī)范》溫度梯度的差異

為研究溫差增大對(duì)結(jié)合梁的溫度場(chǎng)分布影響，按表3取多個(gè)溫差工況進(jìn)行熱分析，取不同工況下日間14:00和夜晚3：00的溫度梯度為最不利的情況，得到不同溫差下升溫和降溫過(guò)程的最不利溫度場(chǎng)分布，如圖10和圖11所示。由圖10和圖11可知，隨著環(huán)境溫差的加大，混凝土板、混凝土與鋼梁的溫差增大，但溫度梯度的分布保持相似。

表3 5種工況下的氣溫及溫差 ℃

圖10 結(jié)合梁升溫過(guò)程各工況最不利溫度場(chǎng)對(duì)比

圖11 結(jié)合梁降溫過(guò)程各工況最不利溫度場(chǎng)對(duì)比

為進(jìn)一步研究各最不利溫度梯度間的差異，以及與《規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計(jì)溫度梯度[20]差異，升、降溫過(guò)程最不利溫度梯度對(duì)比如圖12和圖13所示，為方便對(duì)比，圖中的溫度梯度進(jìn)行了歸零處理。由圖12、圖13可知，無(wú)論升溫過(guò)程還是降溫過(guò)程，隨著溫差不斷增大，混凝土頂面和鋼梁中部相對(duì)混凝土中部的溫差均不斷加大，其中混凝土表面與混凝土中部的溫差增幅不大，混凝土中部與混凝土下表面、鋼梁的溫差增幅較大，大氣溫差增大16 ℃，升溫過(guò)程混凝土中部與下表面溫差增大3.09 ℃，增幅479.66%，降溫過(guò)程混凝土中部與下表面溫差增大2.86 ℃，增幅76.43%，升溫和降溫平均增大約3 ℃，升降溫過(guò)程混凝土中部最低溫度處與鋼梁溫差平均增大約5 ℃。由上述分析可知，隨著環(huán)境溫差的增大，會(huì)顯著增大混凝土板內(nèi)部、混凝土板與鋼梁之間的溫差，其中，混凝土板中部溫度最低處和混凝土板下表面的溫差增幅最大。

圖12 結(jié)合梁升溫過(guò)程最不利溫度梯度分布對(duì)比

圖13 結(jié)合梁降溫過(guò)程最不利溫度梯度分布對(duì)比

有限元模擬溫度梯度與《規(guī)范》溫度梯度相比，溫差分布模式有所不同。有限元模擬溫度梯度由1段混凝土板的“C”形或“反C”形分布加鋼梁的多段折線分布組成，且混凝土中部因?qū)嵝圆畛蔀闇囟茸畹突蜃罡叩牟课?，而《?guī)范》溫度梯度由2段折線加1道豎向線段組成。差異的主要原因是混凝土導(dǎo)熱性差且比熱容較大，使得混凝土中部溫度變化較慢，溫度變化滯后于混凝土上下表面。在低溫差和較小混凝土板厚情況下，混凝土中部與下表面溫差小，《規(guī)范》為方便工程實(shí)際運(yùn)用，簡(jiǎn)化考慮了混凝土的“藏溫效應(yīng)”，而高海拔地區(qū)鐵路重載橋梁采用混凝土板較厚，日間溫差大，“藏溫效應(yīng)”較明顯，應(yīng)適當(dāng)考慮混凝土板中部與下翼緣的溫差。從最大溫差來(lái)看，有限元模擬溫度梯度的最大溫差比《規(guī)范》溫度梯度的最大溫差低約12 ℃，這是因?yàn)椤兑?guī)范》考慮了各種不利情況，偏于安全取值。

3 高海拔地區(qū)結(jié)合梁溫度效應(yīng)研究

為研究大氣溫差對(duì)結(jié)合梁的影響，將最不利的溫度場(chǎng)分布加在考慮滑移的三維精細(xì)有限元結(jié)合梁模型上，混凝土采用SOLID65單元，鋼梁采用SHELL181單元，栓釘采用COMBIN39單元，并按已有研究設(shè)置荷載滑移曲線[21]。模型中考慮二期恒載、ZKH列車(chē)荷載、橫向荷載、整體升溫荷載。

跨中撓度隨大氣溫差變化如圖14所示。由圖14可知，升溫過(guò)程的溫度梯度所產(chǎn)生的撓度大于降溫過(guò)程溫度梯度所產(chǎn)生的撓度，升溫過(guò)程的溫度梯度在撓度上起控制作用。升溫過(guò)程的溫度梯度造成橋梁下?lián)?，?duì)橋梁撓度有不利影響，隨著大氣溫差的增大，撓度隨之增大，在溫度作用下，從溫差3 ℃增加至19 ℃，撓度增加2.67 mm，增幅479.37%，在主力和溫度共同作用下，從溫差3 ℃增加至溫差19 ℃，撓度增加2.45 mm，增幅9.02%。因此大氣溫差的升高對(duì)升溫過(guò)程的撓度有不利影響。

圖14 結(jié)合梁跨中撓度隨大氣溫差的變化

降溫過(guò)程的溫度梯度造成橋梁上拱，對(duì)橋梁撓度產(chǎn)生有利影響。在溫度作用下，隨著大氣溫差的增加，跨中上拱撓度加大，從溫差3℃增加至19℃，上拱撓度增加為1.32 mm，變化幅度為99.85%。但在主力和溫度共同作用下，撓度減小0.97 mm，降幅為3.74%。因此，大氣溫差的升高對(duì)降溫過(guò)程在正常使用荷載下的撓度產(chǎn)生有利影響，但影響程度較小。

混凝土板最大拉應(yīng)力隨大氣溫差變化如圖15所示。由圖15可知，無(wú)論升溫過(guò)程還是降溫過(guò)程，隨著大氣溫差的變化，混凝土板的拉應(yīng)力都有較大增幅，其中從溫差3 ℃增加至19 ℃，升溫過(guò)程在主力和溫度共同作用時(shí)，增長(zhǎng)0.55 MPa，漲幅62.60%。降溫過(guò)程在主力和溫度共同作用時(shí)，增長(zhǎng)0.58 MPa，漲幅75.95%。溫差的升高對(duì)混凝土最大應(yīng)力有明顯增幅。

圖15 結(jié)合梁混凝土板最大拉應(yīng)力隨溫差的變化

將升溫過(guò)程和降溫過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)在主力和溫度共同作用下，對(duì)混凝土中部應(yīng)力最不利的時(shí)間發(fā)生在日間升溫過(guò)程，各溫差下最大拉應(yīng)力均大于日間升溫過(guò)程的最大拉應(yīng)力，5種工況平均大0.2 MPa。

鋼梁下翼緣中部最大拉應(yīng)力隨大氣溫差變化如圖16所示。由圖16可知，無(wú)論升溫還是降溫過(guò)程，大氣溫差的變化對(duì)鋼梁下翼緣最大拉應(yīng)力的影響均較小，變化幅度均在1 MPa內(nèi)。

圖16 結(jié)合梁鋼梁下翼緣最大拉應(yīng)力隨溫差的變化

栓釘縱向滑移隨大氣溫差變化如圖17、圖18所示。由圖17和圖18可知，隨著大氣溫差的升高，對(duì)跨中附近栓釘?shù)目v向相對(duì)滑移影響不大，對(duì)靠近梁端區(qū)域的栓釘滑移作用影響較大，且越靠近梁端，滑移的增大越明顯。從溫差3 ℃增加至溫差19 ℃，僅有溫度作用下最外排栓釘縱向相對(duì)滑移增大0.14 mm，增幅為287.76%。主力及溫度共同作用下，除最外側(cè)區(qū)域栓釘有所減小，外側(cè)區(qū)域栓釘縱向相對(duì)滑移最大增大0.103 mm，增幅87.28%。

圖17 僅有溫度作用下結(jié)合梁栓釘縱向相對(duì)滑移隨大氣溫差的變化

圖18 主力和溫度作用下結(jié)合梁栓釘縱向相對(duì)滑移隨大氣溫差變化

4 有限元溫度梯度與《規(guī)范》溫度梯度對(duì)結(jié)合梁的影響對(duì)比研究

將上述得到《規(guī)范》溫度梯度加載到三維有限元精細(xì)模型上，與TP5的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，混凝土板應(yīng)力分別取混凝土板上表面和下表面沿縱向的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，如圖19、圖20所示，圖中正值為上拱，負(fù)值為下彎。

圖19 有限元模擬溫度梯度和《規(guī)范》溫度梯度下結(jié)合梁跨中撓度對(duì)比

圖20 有限元模擬溫度梯度和《規(guī)范》溫度梯度下混凝土板應(yīng)力對(duì)比

由圖19并結(jié)合圖12、圖13可知，升溫過(guò)程，有限元模擬溫度梯度使得結(jié)合梁整體下彎，加大下?lián)?，而《?guī)范》溫度梯度使得結(jié)合梁上拱，對(duì)下?lián)嫌邢鳒p作用，按照《規(guī)范》進(jìn)行撓度計(jì)算比按照有限元模擬溫度梯度計(jì)算的撓度小3.27 mm。降溫過(guò)程，有限元模擬溫度梯度使得結(jié)合梁整體上拱，對(duì)下?lián)嫌邢鳒p作用，而《規(guī)范》溫度梯度使得結(jié)合梁下彎，對(duì)下?lián)嫌性鰪?qiáng)作用，按照《規(guī)范》進(jìn)行撓度計(jì)算比按照有限元模擬溫度梯度大4.56 mm。

由圖20(a)、圖20(b)可知，對(duì)于升溫過(guò)程，采用《規(guī)范》溫度梯度時(shí)，溫度梯度、溫度作用與主力共同作用2種工況下，上表面壓應(yīng)力更大，下表面受拉部分拉應(yīng)力更大，受壓部分壓應(yīng)力更小，《規(guī)范》溫度梯度下的混凝土最大拉應(yīng)力更不利。

由圖20(c)、圖20(d)可知，對(duì)于降溫過(guò)程，采用《規(guī)范》溫度梯度時(shí)，上表面受拉部分拉應(yīng)力更大，受壓部分壓應(yīng)力更小，下表面受拉部分拉應(yīng)力更小，受壓部分壓應(yīng)力更大，《規(guī)范》溫度梯度下的混凝土拉應(yīng)力更不利。

按照《規(guī)范》溫度梯度進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于混凝土板強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏于安全。

5 結(jié)論

(1)高海拔地區(qū)鐵路結(jié)合梁日間溫度場(chǎng)可分為升溫過(guò)程和降溫過(guò)程，兩個(gè)過(guò)程中均會(huì)在混凝土造成較大的溫度梯度，升溫過(guò)程在14:00達(dá)到最不利溫度梯度，降溫過(guò)程在3:00達(dá)到最不利溫度梯度。升溫和降溫過(guò)程混凝土內(nèi)部最大溫差分別為10.49，2.67 ℃，升溫和降溫過(guò)程混凝土與鋼梁最大溫差分別為6.32，10.44 ℃。

(2)大氣溫差的升高會(huì)增大結(jié)合梁混凝土板、混凝土板與鋼梁的溫差。大氣溫差升高16 ℃，升降溫過(guò)程混凝土中部與下表面溫差平均增大3 ℃，混凝土中部與鋼梁溫差平均增大5 ℃。

(3)大氣溫差升高16 ℃，升溫過(guò)程結(jié)合梁的撓度增大2.45 mm，但對(duì)降溫過(guò)程的結(jié)合梁撓度影響較小。無(wú)論升降溫，大氣溫差升高16 ℃，混凝土板的最大拉應(yīng)力平均增大0.56 MPa，鋼梁下翼緣最大拉應(yīng)力變化在1 MPa內(nèi)，影響不大。對(duì)跨中附近栓釘?shù)目v向相對(duì)滑移影響不大，溫度作用下，會(huì)大幅增大靠近梁端區(qū)域栓釘?shù)幕啤?/p>

(4)《規(guī)范》規(guī)定的溫度荷載簡(jiǎn)化認(rèn)為混凝土板內(nèi)部和下表面溫差較小，但高海拔地區(qū)環(huán)境下混凝土板厚為400 mm鐵路結(jié)合梁的混凝土板中部和混凝土下表面溫差可達(dá)3.09 ℃，混凝土板中部和混凝土下表面溫差不能忽略；《規(guī)范》規(guī)定的溫度荷載最大溫差比本文模型最大溫差大12 ℃，《規(guī)范》中的溫度梯度更為不利。

(5)根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定的溫度荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)的大溫差環(huán)境鐵路結(jié)合梁，在升溫過(guò)程中相比模擬結(jié)合梁撓度小3.27 mm，降溫過(guò)程相比模擬結(jié)合梁撓度大4.56 mm，無(wú)論升降溫，《規(guī)范》溫度梯度下的混凝土拉應(yīng)力更不利，因此，可按照《規(guī)范》進(jìn)行高海拔地區(qū)鐵路鋼-混凝土結(jié)合梁設(shè)計(jì)。