溫度對邊中跨同時(shí)合龍剛構(gòu)橋的受力影響分析

黃文潔

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北武漢 430051)

0 引言

隨著對箱梁溫度效應(yīng)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)溫度影響產(chǎn)生的箱梁撓度與溫度應(yīng)力不可忽視，甚至有研究成果表明，溫度變化所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可比擬自重和活載下的應(yīng)力[1]。在合龍段施工時(shí)，溫度變化將使懸臂梁段伸長或縮短，進(jìn)而引起合龍段內(nèi)部產(chǎn)生軸向應(yīng)力和彎矩，當(dāng)合龍段混凝土還未達(dá)到足夠強(qiáng)度時(shí)，合龍段過早地受力很可能破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且此時(shí)還未對合龍段施加預(yù)應(yīng)力，箱梁有可能因受拉影響而產(chǎn)生裂縫。因此，研究合龍期間溫度變化對合龍段混凝土的影響十分重要。

1 工程概況

貴州省某剛構(gòu)橋全長為860m，跨徑組合為[7×40+（80+2×150+80）+3×40]m,設(shè)計(jì)車速為80km/h，整幅橋?qū)挒?4.5m。橋梁平面位于R=1505m 的右偏圓曲線上，墩臺(tái)徑向布置；橋梁縱面位于R=60000m 的豎曲線上。箱梁體系溫度為-5～35℃，設(shè)計(jì)計(jì)算合龍溫度為15±3℃。

主橋上部結(jié)構(gòu)采用(80+2×150+80）m 預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)，邊中跨比為0.533。主梁采用單箱單室截面預(yù)應(yīng)力混凝土直腹板箱型梁，主梁根部的梁高為9.0m，跨中部梁高為3.5m，箱梁高度由距墩中心6.0m 處到合龍段處按照1.8 次拋物線變化；箱梁頂板寬為12.125m，底板寬為6.5m，翼緣板懸臂長度為2.8125m，橋面橫坡變化由箱梁腹板變高形成。主橋平面位于R=1505m 的右偏圓曲線上，為簡化設(shè)計(jì)，按路線中心線劃分梁段。各單T 箱梁0#塊長為14.0m，其余17 組對稱懸澆節(jié)段分別為7×3.5m+5×4.0m+5×4.5m，中跨和邊跨合龍段各長2.0m，邊跨現(xiàn)澆段長度為3.76m。主梁截面具體尺寸如圖1 所示。

圖1 橫截面尺寸圖（單位：cm）

主橋現(xiàn)澆箱梁采用C55 預(yù)應(yīng)力混凝土，主墩身采用C40 鋼筋混凝土，承臺(tái)采用C30 鋼筋混凝土。主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，縱、橫向的預(yù)應(yīng)力鋼束采用公稱直徑為15.2mm、強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa、彈性模量為1.95×105MPa 的高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為785MPa、彈性模量為2.0×105MPa 的JL32 精軋螺紋鋼筋。

2 建模過程

利用ANSYS 有限元分析軟件進(jìn)行建模分析，建立剛構(gòu)橋主橋模型研究溫度變化對合龍段混凝土在硬化過程中的受力影響。在進(jìn)行ANSYS 有限元模型建立時(shí)，由于橋梁整體結(jié)構(gòu)較大，細(xì)部構(gòu)造相對復(fù)雜，若全橋結(jié)構(gòu)均采用梁單元建模則無法準(zhǔn)確而全面地得到合龍段的實(shí)際受力情況，若均采用實(shí)體單元建模則過程極為煩瑣復(fù)雜，分析求解速度慢，成本相對較高，因此將各跨的合龍段作為研究對象，在進(jìn)行溫度變化對合龍段的局部受力分析之前，首先做好結(jié)構(gòu)的整體分析，從而將局部分析的邊界條件和范圍確定下來[2]。該橋使用ANSYS-APDL 建立該橋參數(shù)化有限元模型，其中，主墩、懸臂澆筑主梁節(jié)段及橫梁均使用BEAM188 三維梁單元模擬，各跨合龍段及合龍段附近的兩個(gè)節(jié)段使用SOLID45 三維實(shí)體單元模擬，使用CP 命令耦合主墩及墩頂單元節(jié)點(diǎn)自由度，保證其參與共同受力，主墩底部使用面約束固結(jié)，橋臺(tái)位置采用一般支承模擬，BEAM188 主梁單元與合龍段SOLID45 單元之間建立剛域，合龍段勁性骨架使用約束方程與混凝土實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)耦合自由度。有限元模型如圖2、圖3 所示。

圖2 主橋結(jié)構(gòu)ANSYS 仿真計(jì)算模型圖

圖3 合龍段實(shí)體單元細(xì)部構(gòu)造模型圖

為研究合龍段混凝土在凝結(jié)硬化過程中受溫度變化的影響，本文將主要考慮整體升降溫作用下合龍段以外的橋梁結(jié)構(gòu)對合龍段的影響效果。將合龍段混凝土的彈性模量分別取為設(shè)計(jì)彈性模量的20%、40%、60%、80%、100% 來簡單模擬合龍段混凝土的強(qiáng)度增長過程，分析在溫度分別降低5℃、10℃、15℃和20℃條件下合龍段結(jié)構(gòu)的受力情況[3]。

3 結(jié)果分析

由有限元分析結(jié)果可以得知，在升降溫條件下，邊跨合龍段混凝土的受力明顯大于中跨合龍段混凝土，且在降溫條件下拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在右邊跨合龍段混凝土，而壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左邊跨合龍段混凝土，具體結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖4 降溫5℃條件下各強(qiáng)度的合龍段混凝土應(yīng)力云圖

圖5 降溫條件下混凝土強(qiáng)度隨溫度變化曲線圖

根據(jù)圖4、圖5 的分析結(jié)果可以看出，在某一溫度荷載作用下，合龍段混凝土在強(qiáng)度增長的過程中其受力是逐漸增大的。在降溫5℃條件下，20%、40%、60%、80%、100% 強(qiáng)度的混凝土拉應(yīng)力最大值分別為0.248MPa、0.364MPa、0.451MPa、0.522MPa、0.581MPa，均出現(xiàn)在右邊跨合龍段箱梁頂板底部中央位置，混凝土壓應(yīng)力的最大值分別為-0.458MPa、-0.641MPa、-0.771MPa、-0.880MPa，-0.978MPa，均出現(xiàn)在左邊跨合龍段箱梁翼緣板端部。當(dāng)混凝土強(qiáng)度一定時(shí)，混凝土的受力隨溫差的增大而增大，當(dāng)混凝土達(dá)到20%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)，降溫5℃、10℃、15℃、20℃條件下的混凝土拉應(yīng)力最大值分別為0.248MPa、0.496MPa、0.744MPa、0.991MPa，均出現(xiàn)在右邊跨合龍段箱梁頂板底部中央，混凝土壓應(yīng)力最大值分別為-0.458MPa、-0.917MPa、-1.38MPa、-1.83MPa，均出現(xiàn)在左邊跨合龍段箱梁翼緣板端部。升溫條件下的應(yīng)力結(jié)果正好與降溫結(jié)果相反，此不贅述。由此可見，邊跨合龍段箱梁的頂板底部中央和翼緣板端部是最大拉壓應(yīng)力值出現(xiàn)的部位，應(yīng)密切關(guān)注此部位的混凝土異常情況。

一般而言，混凝土的極限拉應(yīng)變?yōu)?×10-4～6×10-4，極限壓應(yīng)變?yōu)?×10-3，從安全角度考慮，取小值作為極限應(yīng)變值[4]。若在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中降溫過大，則還未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土有可能因?yàn)槭芾斐砷_裂；升溫過大則可能引起混凝土的受壓過大而造成還未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混凝土被壓潰。故在合龍段混凝土凝結(jié)硬化過程中應(yīng)保持溫度的相對恒定，避免因溫差影響造成的溫度應(yīng)力過大而導(dǎo)致混凝土在凝結(jié)硬化時(shí)產(chǎn)生破壞現(xiàn)象。

根據(jù)分析結(jié)果可知，合龍段結(jié)構(gòu)中的勁性骨架受力只隨溫度的變化而變化，不隨混凝土強(qiáng)度的增長而有較大變化。根據(jù)四個(gè)合龍段中的四組勁性骨架的受力分析可知，勁性骨架所受到的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在左中跨底板處。當(dāng)合龍段混凝土在強(qiáng)度不變時(shí)，勁性骨架在降溫5℃條件下的最大拉、壓應(yīng)力分別為21.3MPa 和-13.0MPa，在降溫10℃條件下的最大拉、壓應(yīng)力分別為42.7MPa 和-25.9MPa，在降溫15℃條件下的最大拉、壓應(yīng)力分別為64.0MPa和-38.9MPa，降溫20℃條件下的最大拉、壓應(yīng)力分別為85.4MPa 和-51.8MPa，溫度不變時(shí)各強(qiáng)度下的勁性骨架最大應(yīng)力值相差不超過0.6MPa。

勁性骨架在上述溫度變化下所受到的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（Q235 鋼材抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215MPa），故溫度變化對合龍段結(jié)構(gòu)的勁性骨架影響較小，而對混凝土影響較大。

在正常施工中合龍段的施工應(yīng)按照設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)合龍溫度下進(jìn)行，但實(shí)際情況下很難嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)合龍溫度的要求，實(shí)際工程中通常是選擇在一天中氣溫最低時(shí)刻進(jìn)行合龍段的施工，由于實(shí)際溫度與設(shè)計(jì)合龍溫度存在一定偏差，故通常采取其他措施（如施加頂推、灑水降溫等）予以彌補(bǔ)。

4 應(yīng)對措施

4.1 混凝土硬化過程中針對降溫的應(yīng)對措施

為防止合龍段混凝土在凝結(jié)硬化過程中因環(huán)境溫度驟然下降（如寒流氣候），橋梁整體結(jié)構(gòu)收縮，牽引合龍段受拉而產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象，可采取以下措施。

第一，待合龍段混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，可先張拉部分預(yù)應(yīng)力束給合龍段提供部分壓應(yīng)力，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后將勁性骨架切割拆除，再張拉余下部分的預(yù)應(yīng)力鋼束。

第二，在頂?shù)装灞砻嬖O(shè)置臨時(shí)鋼束進(jìn)行臨時(shí)固結(jié)鎖定，利用臨時(shí)鋼束的預(yù)應(yīng)力作用來抵消合龍段外部拉力，待強(qiáng)度合格后及時(shí)解除臨時(shí)鋼束鎖定。

第三，采取保溫措施使橋梁結(jié)構(gòu)溫度維持穩(wěn)定，如在全橋結(jié)構(gòu)的混凝土表面鋪設(shè)保溫材料，小跨徑橋梁簡單易行，大跨橋梁成本過高且操作復(fù)雜。

4.2 混凝土硬化過程中針對升溫的應(yīng)對措施

為防止合龍段混凝土在凝結(jié)硬化過程中因環(huán)境溫度短時(shí)間內(nèi)上升，橋梁整體結(jié)構(gòu)受熱膨脹，使得合龍段混凝土受到外部結(jié)構(gòu)的擠壓而可能產(chǎn)生的混凝土壓潰現(xiàn)象，可采取以下措施。

第一，在頂板和底板表面設(shè)置剛性支撐，利用剛性支撐承受因升溫影響而產(chǎn)生的壓力作用。

第二，人工方法保持橋梁整體的溫度相對恒定，如在全橋混凝土表面灑水降溫或放置冰塊來維持橋梁結(jié)構(gòu)的恒溫狀態(tài)。

5 結(jié)論

本文利用ANSYS 有限元分析軟件，以梁單元與實(shí)體單元組合建模的方式建立剛構(gòu)橋主橋的有限元模型，研究分析橋梁結(jié)構(gòu)在整體溫度變化下對合龍段混凝土在凝結(jié)硬化過程中的受力影響，主要得到如下結(jié)論。

第一，在升降溫條件下，邊跨合龍段混凝土的受力大于中跨合龍段混凝土。

第二，在特定溫度荷載影響下，合龍段混凝土在強(qiáng)度增長過程中的受力是逐漸增大的。比如，在降溫5℃的條件下，20%強(qiáng)度的合龍段混凝土拉、壓應(yīng)力最大值分別為0.248MPa、-0.458MPa，然而100%強(qiáng)度的合龍段混凝土拉、壓應(yīng)力最大值分增大到0.581MPa、-0.978MPa。

第三，當(dāng)合龍段結(jié)構(gòu)中的勁性骨架所受到的最大拉、壓應(yīng)力均出現(xiàn)在左中跨底板處，其受力只隨溫度變化而變化，而隨混凝土強(qiáng)度的增長無較大變化。比如在降溫5℃和降溫20℃條件下，勁性骨架的最大拉、壓應(yīng)力分別控制為21.3MPa、-13.0MPa 和85.4MPa、-51.8MPa，而溫度保持不變的條件下在混凝土強(qiáng)度增長過程中其受力變化的最大差值僅為0.6MPa。

第四，降溫條件下，混凝土拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在右邊跨合龍段箱梁頂板底部中央，壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在左邊跨合龍段箱梁翼緣板端部，故邊跨合龍段箱梁的頂板底部中央和翼緣板端部是應(yīng)力值較大的部位，應(yīng)密切關(guān)注此部位的混凝土異常情況。為防止合龍段混凝土在凝結(jié)硬化過程中因環(huán)境溫度變化而造成破壞，應(yīng)采取針對性措施嚴(yán)格控制溫度的大幅度變化，以減小其對合龍段混凝土產(chǎn)生的受力影響。