溫度對中小跨徑混凝土梁橋應(yīng)力及變形的影響研究

賈路斌,方 陽

（貴州交咨工程檢測有限公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

中小跨混凝土梁橋因結(jié)構(gòu)簡單、建造技術(shù)成熟、可實(shí)現(xiàn)預(yù)制場預(yù)制、施工質(zhì)量可控且成本相對較低而得到廣泛應(yīng)用，其數(shù)量約占我國橋梁總數(shù)的91%。大跨徑梁橋梁體恒載效應(yīng)占橋梁總荷載效應(yīng)的比例可達(dá)80%~90%以上，活載效應(yīng)僅占總荷載效應(yīng)的10%左右。對中小跨徑混凝土梁橋而言，活載效應(yīng)占總效應(yīng)的比例在30%~60%左右[1-3]。因此，對于中小跨徑混凝土梁橋受力分析時(shí)應(yīng)充分考慮活載效應(yīng)的影響，包括汽車荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載以及收縮徐變等。而貴州山區(qū)晝夜溫差大，太陽輻射明顯，梁體容易形成溫度梯度，故該文從溫度梯度方面分析溫度對中小跨徑混凝土梁橋的應(yīng)力及變形影響。

1 溫度梯度對中小跨徑混凝土梁橋的應(yīng)力及變形影響

中小跨徑混凝土簡支梁橋整體溫度升高或降低不會(huì)引起結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形變化。由于太陽輻射橋面，導(dǎo)致橋面溫度與梁底溫度形成正溫差，以及強(qiáng)對流天氣影響、氣溫突然降低，導(dǎo)致橋面溫度迅速降低而形成的梁底溫度高于橋面的負(fù)溫差，二者所形成的溫度梯度將對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形產(chǎn)生較大影響[4-5]。

在分析應(yīng)溫度梯度對混凝土梁橋產(chǎn)生的效應(yīng)時(shí)，可采用如圖1所示的溫度梯度曲線。規(guī)定橋面受太陽輻射所產(chǎn)生的最高溫度T1如表1所示，當(dāng)梁高H≤400 mm時(shí)，圖中A=H?100（mm），當(dāng)梁高≥400 mm時(shí)，A=300 m，規(guī)定豎向負(fù)溫度梯度為正溫度梯度乘以?0.5[6]。

表1 豎向日照正溫差計(jì)算的溫度基數(shù)[6]

圖1 豎向溫度梯度[6]

依據(jù)現(xiàn)階段運(yùn)營期橋梁現(xiàn)狀分析，現(xiàn)役中小跨徑混凝土梁橋多采用08版交通運(yùn)輸部頒布梁橋通用結(jié)構(gòu)圖，該文選擇使用廣泛的16 m、20 m跨徑空心板與20 m、30 m、40 m跨徑T梁為研究對象。采用Dr.Bridge建立單梁模型，分析計(jì)算橫向分布系數(shù)，以最不利荷載狀況模擬邊梁和中梁。

1.1 溫度梯度產(chǎn)生的空心板應(yīng)力及變形

采用Dr.Bridge建立單梁模型，溫度梯度依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）要求進(jìn)行設(shè)置，縱橋向不同位置在正溫度梯度和負(fù)溫度梯度作用下產(chǎn)生的變形如表2所示。（表2僅列出縱橋向L/8、L/4和L/2位置提取的相關(guān)數(shù)據(jù)，豎向變形向上為“+”。）

表2 溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形 /mm

由表2可知，主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的豎向變形表現(xiàn)為：正溫度梯度梁體上拱，負(fù)溫度梯度梁體下?lián)稀Ｔ谡郎囟忍荻葧r(shí)，16 m空心板L/2截面上拱值為3.65 mm，20 m空心板L/2截面上拱值為4.55 mm；負(fù)溫度梯度時(shí)，16 m空心板L/2截面下?lián)现禐?.69 mm，20 m空心板L/2截面下?lián)现禐?.28 mm。

由表3可知，主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的應(yīng)力，正溫度梯度作用下表現(xiàn)為：空心板上、下緣均表現(xiàn)為受壓，16 m空心板上緣壓應(yīng)力大小為2.03 MPa，下緣壓應(yīng)力大小為0.64 MPa，20 m空心板上緣壓應(yīng)力大小為2.25 MPa，下緣壓應(yīng)力大小為0.63 MPa；負(fù)溫度梯度作用下表現(xiàn)為：空心板上、下緣均表現(xiàn)為受拉，16 m空心板上緣拉應(yīng)力大小為1.13 MPa，下緣拉應(yīng)力大小為0.30 MPa，20 m空心板上緣拉應(yīng)力大小為1.12 MPa，下緣拉應(yīng)力大小為0.32 MPa。由上述分析可知，在正負(fù)溫度梯度作用下，空心板梁下緣受溫度梯度的影響小于上緣。

表3 溫度梯度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力 /MPa

1.2 溫度梯度產(chǎn)生的T梁的應(yīng)力及變形

采用Dr.Bridge建立單梁模型，溫度梯度依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）[8]要求進(jìn)行設(shè)置，縱橋向不同位置在正溫度梯度和負(fù)溫度梯度作用下產(chǎn)生的豎向變形如表4所示。（表4僅選取縱橋向L/8、L/4和L/2位置提取相關(guān)數(shù)據(jù)，豎向變形向上為“+”。）

表4 梯度溫度產(chǎn)生的豎向變形 /mm

由表4可知，主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的豎向變形表現(xiàn)為：正溫度梯度使梁體上拱，負(fù)溫度梯度使梁體下?lián)?。在正溫度梯度時(shí)，20 m T梁L/2截面上拱值為3.02 mm，30 m T梁L/2截面上拱值為4.75 mm，40 m T梁L/2截面上拱值為6.12 mm；負(fù)溫度梯度時(shí)，20 m T梁L/2截面下?lián)现禐?1.51 mm，30 m T梁L/2截面下?lián)现禐?2.37 mm，40 m T梁L/2截面下?lián)现禐?2.79 mm。

由表5可知，主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的應(yīng)力，正溫度梯度作用下表現(xiàn)為：T梁上、下緣均表現(xiàn)為受壓，20 m T梁右上緣壓應(yīng)力大小為2.27 MPa，右下緣壓應(yīng)力大小為0.90 MPa，30 m T梁右上緣壓應(yīng)力大小為2.49 MPa，右下緣壓應(yīng)力大小為0.80 MPa，40 m T梁右上緣壓應(yīng)力大小為2.66 MPa，右下緣壓應(yīng)力大小為0.66 MPa；負(fù)溫度梯度作用下表現(xiàn)為：T梁上、下緣均表現(xiàn)為受拉，20 m T梁右上緣拉應(yīng)力大小為1.13 MPa，右下緣拉應(yīng)力大小為0.45 MPa，30 m T梁右上緣拉應(yīng)力大小為1.24 MPa，右下緣拉應(yīng)力大小為0.40 MPa，40 m T梁右上緣拉應(yīng)力大小為1.43 MPa，右下緣拉應(yīng)力大小為0.30 MPa。由上述分析可知，在正負(fù)溫度梯度作用下，空心板梁下緣受溫度梯度的影響小于上緣。

表5 溫度梯度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力 /MPa

1.3 溫度梯度對活載監(jiān)測的影響分析

對中小跨徑混凝土梁橋的營運(yùn)安全進(jìn)行綜合評估，應(yīng)基于活載響應(yīng)的安全監(jiān)測，由1.1~1.2的計(jì)算分析可知，溫度梯度對中小跨徑混凝土梁橋應(yīng)力及變形的影響對監(jiān)測結(jié)果有相當(dāng)比重的影響，該部分內(nèi)容通過計(jì)算溫度梯度對活載產(chǎn)生應(yīng)力及變形的偏離值分析溫度梯度對活載監(jiān)測的影響程度。

1.3.1 溫度梯度對變形的影響

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[7]計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)活載與溫度梯度作用下中小跨徑混凝土空心板梁和T梁的豎向變形，分析結(jié)果如表6所示。溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形較大，由于溫度梯度是由太陽輻射產(chǎn)生，故溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形是時(shí)時(shí)存在的。在梁橋安全監(jiān)測過程中，通過變形采集設(shè)備采集的豎向變形量除了活載效應(yīng)外，還包括溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形。針對中小跨徑混凝土梁橋，以《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[7]活載作用下產(chǎn)生的豎向變形與加正負(fù)溫度梯度產(chǎn)生的變形進(jìn)行疊加，可得到溫度梯度產(chǎn)生的變形偏差量。

表6 活載與溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形（L/2截面）

由表6可知，溫度梯度對梁體豎向變形測量的影響很大，且表現(xiàn)為正溫度梯度的測量偏差量大于負(fù)溫度梯度的測量偏差量。具體表現(xiàn)為：16 m空心板豎向變形測量偏差量為52.64%，20 m空心板豎向變形測量偏差量為49.73%，20 m T梁豎向變形測量偏差量為49.73%，30 m T梁豎向變形測量偏差量為41.13%，40 m T梁豎向變形測量偏差量為37.62%。隨跨徑的減小豎向變形測量偏差量呈現(xiàn)增大趨勢，即橋面與梁底的正溫差越大，橋梁跨徑越小，梁體豎向變形的測量偏差量越大。

1.3.2 溫度梯度對應(yīng)力的影響

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[7]計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)活載與溫度梯度變化作用下中小跨徑混凝土空心板梁和T梁的應(yīng)力，分析結(jié)果如表7。

表7 活載與溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力（L/2截面） /MPa

由表7可知，溫度梯度對空心板或T梁上緣的應(yīng)力測量偏差量影響較下緣的應(yīng)力測量偏差量更大。正溫度梯度時(shí)：空心板上緣的應(yīng)力測量偏差量介于48.45%~54.61%之間，下緣的應(yīng)力測量偏差量介于16.84%~16.93%之間，T梁上緣的應(yīng)力測量偏差量介于68.56%~78.55%之間，T梁下緣的應(yīng)力測量偏差量介于12.57%~14.61%之間；負(fù)溫度梯度時(shí)：空心板上緣的應(yīng)力測量偏差量介于26.97%~27.18%之間，下緣的應(yīng)力測量偏差量介于8.57%~16.93%之間，T梁上緣的應(yīng)力測量偏差量介于36.86%~37.54%之間，T梁下緣的應(yīng)力測量偏差量介于5.71%~7.31%之間。與豎向變形測量偏差量類似，應(yīng)力測量偏差量同樣表現(xiàn)為隨跨徑的減小應(yīng)力測量偏差量呈現(xiàn)增大趨勢，即橋面與梁底的正溫差越大，橋梁跨徑越小，梁體應(yīng)力的測量偏差量越大[9]。

2 結(jié)論

基于該文的分析可得出如下結(jié)論：

（1）溫度梯度會(huì)對中小跨徑混凝土梁橋的應(yīng)力及變形產(chǎn)生不可忽略的影響。

（2）對比分析溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力測量偏差量與豎向變形測量偏差量，溫度梯度作用下，隨跨徑的減小應(yīng)力測量偏差量呈現(xiàn)增大趨勢，且在正溫度梯度時(shí)，橋梁跨徑越小，梁體應(yīng)力及豎向變形的測量偏差量越大。

（3）通過分析可為同類橋梁健康安全監(jiān)測過程中的傳感器的布設(shè)提供參考，對于中小跨徑T梁或空心板梁橋，應(yīng)力測點(diǎn)布設(shè)位置可選擇在梁體的下緣，以減小溫度梯度效應(yīng)對采集數(shù)據(jù)的影響，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。