水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁溫度效應

任文輝 寇越 馬彥陽 李潔 徐淑亮 董林劭 孟祥乾

（1.中鐵建陜西高速公路有限公司，陜西 西安 710000；2.長安大學，陜西 西安 710000；3.中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟寧 272100）

鋼-混凝土組合橋梁充分利用了鋼結(jié)構(gòu)良好的抗拉特性和混凝土良好的受壓特性，具有自重輕、施工快捷、剛度大等特點，在國內(nèi)得到廣泛的應用。但鋼-混凝土組合梁中混凝土與鋼材的導熱系數(shù)相差過大，由此造成鋼梁和混凝土橋面板之間存在較大的溫差，這種溫差會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的溫度應力和變形，對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響不容忽視。

隨著鋼-混凝土組合梁在中國的推廣應用，組合橋梁溫度場的研究也逐漸展開。石家莊鐵道大學趙品等人通過對某波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋進行溫度效應觀測，提出了波形鋼腹板箱梁溫差計算模式及其該模式下的結(jié)構(gòu)力學方法。山東大學張峰等人依托寧夏葉盛黃河公路大橋，利用無線采集儀模塊和溫度傳感器，研究波形鋼腹板內(nèi)襯混凝土部位的溫度梯度。蘭州交通大學王力等人提出大溫差作用下新型波形鋼腹板組合箱梁相對滑移、內(nèi)力和應力的理論計算方法。西南交通大學王耀旭等人采用數(shù)值模擬方法進行鋼-混凝土組合梁橋溫度效應計算并完成本構(gòu)模型、滑移效應等參數(shù)分析。湖南大學劉瑜等人研究超高性能混凝土層（UHPC）輕型組合梁橋結(jié)構(gòu)在日照作用下的溫度效應，發(fā)現(xiàn)輕型組合梁橋面板的溫度梯度效應是不可忽略的。北京建筑大學武慶祥等人對實測溫度場數(shù)據(jù)進行曲線擬合并與規(guī)范對比，發(fā)現(xiàn)鋼箱梁溫度存在豎向梯度。天津大學朱勁松等人采用三維遮擋算法，對簡支鋼箱-混凝土組合梁橋的豎向溫度梯度進行參數(shù)分析，并提出豎向溫度梯度基數(shù)回歸函數(shù)。在鋼-混凝土組合梁溫度效應的研究中，主要集中于對波形鋼腹板組合梁橋和鋼-混凝土組合梁橋的溫度場與溫度效應研究，需要對鋼桁組合梁溫度效應進行深入研究。

為了明確晝夜大溫差對鋼桁-混凝土組合梁的力學行為的影響，選取水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁為研究對象，根據(jù)橋址氣象確定溫度荷載，通過有限元仿真分析在晝夜大溫差作用下對支座反力、變形，以及桁桿應力的影響。

一、工程概況

合銅高速公路水蘇溝大橋是主橋為3×80m鋼桁-混凝土組合梁橋，全長697m，為左右兩幅。主梁采用Q420qDNH雙拼桁架組合梁，行車道板采用C50混凝土，鋼主梁標準間距6.7m，主梁高度為8.9m，設計荷載為公路-I級。

水蘇溝大橋地處陜西省渭南市白水縣，位于東經(jīng)109°，北緯35.2°，位于中緯度半干旱地區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，晝夜溫差大。根據(jù)橋址處近10年歷史氣象資料顯示，橋位處歷年平均溫度為17.08℃，最大晝夜溫差為20℃，出現(xiàn)在2015年4月15日。

二、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測

溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測貫穿整個施工監(jiān)控過程。水蘇溝大橋采用高精度溫度傳感器進行溫度監(jiān)測，如圖1所示。溫度監(jiān)測主要監(jiān)測梁外部溫度和太陽輻射強度。測點應布置在溫度梯度變化較大位置，且對稱、均勻布置，能反映結(jié)構(gòu)豎向及水平向溫度場變化規(guī)律。當面積或跨度較大，以及在結(jié)構(gòu)構(gòu)件應力及變形受環(huán)境溫度影響大的區(qū)域時，應增設測點。在對橋梁外部環(huán)境進行溫度監(jiān)測時，宜選擇通風良好且不受日光直射的橋梁部位；在對橋梁內(nèi)部環(huán)境進行溫度監(jiān)測，宜選擇箱梁、主拱、橋塔和錨碗室內(nèi)部的幾何中心位置。測點布置如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場溫度監(jiān)測

圖2 鋼桁梁橫截面測點布置

三、結(jié)構(gòu)仿真

根據(jù)水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和實際尺寸，構(gòu)建有限元模型進行計算分析，結(jié)構(gòu)三維計算模型如圖3所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點選取單元類型，橋面板和鋼桁選用梁單元。有限元模型采用975個節(jié)點和1175個單元。橋面板采用C50混凝土，鋼桁梁采用Q420鋼材。根據(jù)橋址氣象，水蘇溝大橋最大晝夜溫差為20℃，為了模擬日照作用下，橋梁結(jié)構(gòu)接受不均勻太陽輻射，將橋面板與一側(cè)桁架整體升降溫20℃。

圖3 結(jié)構(gòu)三維計算模型

四、溫度效應

（一）支座反力

組合結(jié)構(gòu)橋梁是由多種材料組合而成，不同材料對溫度的敏感性不同，在日照溫差作用下容易產(chǎn)生相對滑移，同時也會引起應力集中、局部破壞甚至嚴重變形。為了分析在晝夜大溫差作用下對橋梁支座反力的影響，分別根據(jù)當?shù)貥O端最高溫度和極端最低溫度，對結(jié)構(gòu)進行整體升降溫，鋼桁組合梁的支反力計算結(jié)果如表1所示。

表1 整體升降溫下支座反力

模型中各節(jié)點的位置如圖4所示。其中，組合梁端支點節(jié)點號分別為14、49、94及128，中支點節(jié)點號為24、59、93及106。由表1可知，在整體升溫時，端支點受到拉力，中支點受到壓力。在整體升溫時，端支點和中支點的受力與整體降溫方向相反，數(shù)值大小相等。

圖4 支座節(jié)點位置

（二）變形

溫度變形不僅影響行車的舒適性，還可能導致橋梁支座的抬起和伸縮縫破壞等病害，甚至出現(xiàn)橋梁破壞。根據(jù)橋址氣象，在晝夜大溫差下鋼桁梁的縱橋向變形、橫橋向變形及豎向變形分別如圖5～10所示。0

圖5 整體升溫下縱橋向變形

由圖5和圖6可知，在整體升降溫下，3個結(jié)構(gòu)部位的縱橋向變形基本一致，在端支點取到最大值，為31.91mm。

圖6 整體降溫下縱橋向變形

由圖7和圖8可知，在整體升降溫作用下，未加溫度一側(cè)桁桿與整體升降溫一側(cè)桁桿的橫橋向變形基本一致，在跨中達到最大，為4.65mm；在整體升溫作用下，橋面板的橫向變形均大于0，說明橋面板向右偏移，在整體降溫作用下，橋面板的橫向變形均小于0，說明橋面板水平向左偏移。

圖7 整體升溫下橫橋向變形

圖8 整體降溫下橫橋向變形

由圖9和圖10可知，在整體升降溫作用下，結(jié)構(gòu)豎向變形關于跨中對稱。在整體升溫下，會使跨中下?lián)?，邊跨上撓，最大撓度處均位于跨中。在整體降溫下，會使跨中上撓，邊跨下?lián)?。在整體升降溫中，未加溫度一側(cè)桁桿受日照溫度影響最大，其次為橋面板，整體升降溫一側(cè)桁桿為最小。在整體升溫下，未加溫度一側(cè)桁桿最大豎向變形為5.98mm，為橋面板最大豎向變形的1.36倍，為整體升降溫一側(cè)桁桿最大豎向變形的4.27倍。

圖9 整體升溫下豎向變形

圖10 整體降溫下豎向變形

五、結(jié)語

本文采用有限元數(shù)值仿真，選取水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁為研究對象，根據(jù)相關規(guī)范，由橋址晝夜最大溫差確定整體升降溫的數(shù)值，分析了整體升降溫對支座反力和變形的影響。通過分析計算發(fā)現(xiàn)，在變形和桁桿應力中，整體升降溫對結(jié)構(gòu)跨中的影響最大。因此，在鋼桁-混凝土混合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)分析和運營期檢測中應考慮溫度效應影響，尤其關注溫度效應對跨中的不利影響，防止跨中下?lián)线^大，應力過大等不利影響，引起結(jié)構(gòu)破壞。