大跨度混凝土連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)研究

麥鑫浩

(中鐵二十四局集團(tuán)有限公司, 上海 200071)

橋梁在建造階段和運(yùn)營(yíng)使用階段承受復(fù)雜的時(shí)變溫度作用。橋梁溫度場(chǎng)與其所處的地理位置、環(huán)境溫度、雨雪寒潮氣候、太陽(yáng)輻射等因素相關(guān)。一般情況下,橋梁主要經(jīng)受年溫度循環(huán)和日溫度循環(huán)2種典型的溫度周期作用。此外,伴隨著寒潮、冷鋒、降雪等特殊氣候現(xiàn)象而急劇下降的溫度也會(huì)明顯影響橋梁的溫度場(chǎng)。溫度周期作用或溫度驟然下降會(huì)導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生溫度效應(yīng),當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)附加變形被支座約束時(shí),梁體會(huì)產(chǎn)生明顯的約束應(yīng)力,嚴(yán)重可導(dǎo)致橋面板開(kāi)裂、支座抬升等病害甚至出現(xiàn)橋梁破壞[1-5]。

混凝土箱梁橋會(huì)因其自身導(dǎo)熱系數(shù)較差而產(chǎn)生溫度不均勻場(chǎng)[6-8],從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。研究表明,溫度應(yīng)力可能會(huì)接近甚至超出活載產(chǎn)生的應(yīng)力[9-12]。在橋梁溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的理論和試驗(yàn)研究,取得了諸多成果。YARNOLD等[13]基于溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了大跨度橋梁的溫度效應(yīng)機(jī)理;周毅等[14]對(duì)上海長(zhǎng)江大橋的溫度進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),研究了溫度場(chǎng)作用對(duì)雙塔斜拉橋撓度的影響;周浩等[15]研究了大跨度結(jié)合梁斜拉橋的溫度場(chǎng)和溫度效應(yīng);杜元等[16]采用協(xié)同克里金方法,研究了區(qū)域環(huán)境溫度分布對(duì)裝配式小箱梁橋溫度梯度的影響。上述成果在研究大跨度橋梁的溫度場(chǎng)或溫度效應(yīng)時(shí),溫度荷載模式多采用單一的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或具體規(guī)范或理論得到的溫度梯度模式。而我國(guó)幅員遼闊,各地氣候差異顯著,若采用相同的溫度梯度模式模擬不同地區(qū)橋梁的溫度場(chǎng),可能會(huì)低估橋梁的溫度效應(yīng)[17]。因此,針對(duì)不同氣候地區(qū)的橋梁,應(yīng)確定符合實(shí)際工程的規(guī)范規(guī)定溫度梯度模式,這對(duì)該地區(qū)橋梁溫度效應(yīng)研究十分重要。

本文以南通某大跨度混凝土箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,對(duì)箱梁橋在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及各國(guó)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下的溫度應(yīng)力及豎向撓度分布規(guī)律開(kāi)展研究,并對(duì)最不利豎向溫差模式下混凝土箱梁截面的溫度應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析,以期探明大跨度混凝土箱梁橋施工及成橋階段的溫度場(chǎng)及溫度效應(yīng)。

1 工程概況

南通某新建高速鐵路下行聯(lián)絡(luò)線工程中的大跨高鐵混凝土連續(xù)箱梁橋,計(jì)算跨度為269.6 m,跨徑布置為68.8 m+132 m+68.8 m,如圖1所示,設(shè)計(jì)最大溫差為20 ℃。主梁采用單箱單室等高度變截面結(jié)構(gòu)形式,材料為C55混凝土。箱梁頂寬8.5 m,頂板厚度50 cm,底板厚50 cm～100 cm,按拋物線變化至中支點(diǎn)梁根部,中支點(diǎn)處加厚到100 cm;腹板厚50 cm～90 cm,按折線變化。全橋在端支點(diǎn)、中支點(diǎn)和主跨跨中處共設(shè)5個(gè)橫隔板。主梁截面高度最小為5.6 m,最大為9.6 m,截面寬度保持不變,均為8.5 m。

單位:m

主梁采用掛籃懸臂施工:1) 先對(duì)墩梁進(jìn)行臨時(shí)固結(jié),墩頂和梁體的接觸位置始終處于固結(jié)狀態(tài);2) 待邊跨合龍后進(jìn)行一次體系轉(zhuǎn)換,形成單懸臂狀態(tài);3) 待主跨合龍后進(jìn)行第二次體系轉(zhuǎn)換,形成連續(xù)梁。

2 混凝土箱梁豎向溫度梯度

2.1 溫度監(jiān)測(cè)方案

在2022年7月至12月期間對(duì)箱梁截面溫度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)斷面取中支點(diǎn)截面。溫度傳感器采用半導(dǎo)體溫度傳感器,采樣周期為10 min。監(jiān)測(cè)截面共布置32個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖2所示。

單位:cm

2.2 豎向溫度梯度

在日照作用下,考慮到南北走向橋梁在順橋向上的溫度分布較為均勻,且箱梁截面的最大豎向溫差均出現(xiàn)在每天的14:00左右,故本文僅考慮箱梁截面的豎向溫度梯度。實(shí)際工程中常采用式(1)來(lái)描述鐵路混凝土箱梁的豎向溫度梯度。

T(x)=A0e-Cxx

(1)

式中:A0為溫度變幅;Cx為試驗(yàn)參數(shù)。

采用式(1)所示的溫度梯度模式,基于最小二乘法原理對(duì)箱梁截面溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。擬合結(jié)果表明,混凝土箱梁的實(shí)際豎向溫度梯度模式為T(mén)(x)=19.87e-4.98x。與此同時(shí),分別采用我國(guó)《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10092—2017)[18](簡(jiǎn)稱(chēng)中國(guó)鐵路橋涵規(guī)范)、美國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[19](簡(jiǎn)稱(chēng)美國(guó)橋梁規(guī)范)、英國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[20](簡(jiǎn)稱(chēng)英國(guó)橋梁規(guī)范)和新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[21](簡(jiǎn)稱(chēng)新西蘭橋梁規(guī)范)規(guī)定的溫度梯度模式,擬合得到對(duì)應(yīng)各國(guó)規(guī)范的箱梁截面豎向溫度梯度模式,如圖3所示。由圖3可知,中國(guó)鐵路橋涵規(guī)范規(guī)定的箱梁截面豎向溫度梯度模式最貼合本橋現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度梯度模式。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及各國(guó)規(guī)范得到的箱梁豎向溫度梯度模式

3 各溫度梯度模式下箱梁橋溫度效應(yīng)

3.1 數(shù)值模型

利用Midas Civil有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,考慮最大懸臂施工狀態(tài)和成橋狀態(tài),建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型。建模分析時(shí),溫度效應(yīng)僅考慮箱梁豎向溫度梯度對(duì)箱梁橋上部結(jié)構(gòu)的影響。箱梁豎向溫度梯度模式分別采用圖3所示的5種豎向溫度梯度模式。此外,還考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載、掛籃荷載和混凝土濕重。

3.2 最大懸臂狀態(tài)下中支點(diǎn)截面溫度應(yīng)力

最大懸臂階段在不同溫度梯度模式下,中支點(diǎn)截面的頂板應(yīng)力值如表1所示。需要說(shuō)明的是,本文統(tǒng)一規(guī)定,拉應(yīng)力為正值,壓應(yīng)力為負(fù)值。分析表1可知,最大懸臂施工階段,新西蘭橋梁規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下頂板應(yīng)力明顯較大,在各國(guó)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下,中國(guó)鐵路橋涵規(guī)范得到的頂板應(yīng)力與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度梯度模式下的頂板應(yīng)力最為吻合,英國(guó)橋梁規(guī)范接近。

表1 最大懸臂階段不同溫度梯度模式下中支點(diǎn)截面頂板應(yīng)力值 MPa

3.3 成橋狀態(tài)下箱梁橋溫度應(yīng)力縱向分布

在成橋狀態(tài)下,提取不同溫度梯度模式下混凝土箱梁橋的溫度應(yīng)力沿縱向分布規(guī)律,如圖4所示。分析圖4可知,同一豎向溫度梯度模式下,箱梁上緣受壓,下緣受拉,邊跨端部部分受壓。英國(guó)橋梁規(guī)范考慮了底板豎向溫差后,其溫度梯度模式對(duì)箱梁底板下緣的溫度應(yīng)力影響最小。中國(guó)鐵路橋涵規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式對(duì)箱梁的應(yīng)力影響較小,且該模式下的箱梁縱向應(yīng)力分布與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度梯度下的箱梁縱向應(yīng)力分布最為吻合。

(a) 上緣應(yīng)力

3.4 成橋狀態(tài)下箱梁橋最大豎向撓度分布

在成橋狀態(tài)下,提取不同溫度梯度模式下混凝土箱梁橋的豎向撓度分布情況,如圖5所示。分析圖5可知,混凝土箱梁橋豎向撓度隨著截面與支座的距離增加而增大,主跨從距中支點(diǎn)50 m開(kāi)始箱梁橋懸臂端的豎向撓度呈明顯變大趨勢(shì),懸臂端撓度最大。其中,英國(guó)橋梁規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下箱梁橋豎向撓度變化最小,而新西蘭橋梁規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下箱梁橋豎向撓度變化最大。在不同溫度梯度模式下,箱梁橋的豎向撓度相差較明顯,中國(guó)鐵路橋涵規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下,箱梁橋豎向撓度與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度梯度模式下箱梁橋豎向撓度完全吻合。

圖5 不同溫度梯度下橋梁豎向撓度分布曲線

4 混凝土箱梁截面溫度應(yīng)力分布

4.1 最大溫度應(yīng)力

根據(jù)橋址區(qū)的地理位置確定出太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最大值發(fā)生在每年的7月,且箱梁截面的最大豎向溫差均出現(xiàn)在每天的14:00左右。為此,本文提取7月25日14:00時(shí)中支點(diǎn)截面和主跨跨中截面的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),并將該時(shí)間的溫度場(chǎng)邊界條件作用在箱梁有限元模型上,計(jì)算分析各截面的箱梁頂板、底板和腹板在最不利溫差下的溫度應(yīng)力分布。提取箱梁截面的最大橫向和豎向溫度應(yīng)力值,結(jié)果如表2所示。分析表2可知,混凝土箱梁的橫向溫度應(yīng)力主要集中在箱梁頂板和底板部位,豎向溫度應(yīng)力主要集中在箱梁腹板部位,且均為壓應(yīng)力。

表2 箱梁截面最大橫向和豎向溫度應(yīng)力值 MPa

4.2 橫向溫度應(yīng)力

混凝土箱梁橋各截面的箱梁頂板和底板的橫向溫度應(yīng)力分布情況如圖6所示。分析圖6可知,由于支點(diǎn)截面和跨中截面的頂板和底板厚度一致,各截面頂板上緣和底板下緣的橫向溫度應(yīng)力分布基本一致,均隨著距外緣距離的增加呈先增后減的規(guī)律,其中頂板和底板中線橫向溫度應(yīng)力最大。由于不同截面頂板下緣的橫向?qū)挾炔煌?頂板下緣溫度應(yīng)力分布有所不同,且跨中截面頂板下緣的橫向溫度應(yīng)力較支點(diǎn)截面的橫向溫度應(yīng)力稍大。隨著距腹板內(nèi)側(cè)距離的增加,支點(diǎn)截面底板上緣橫向溫度應(yīng)力先減小后增大,跨中截面底板上緣橫向溫度應(yīng)力先增大后減小,且跨中截面底板上緣橫向溫度應(yīng)力變幅較小。

(a) 頂板上緣溫度應(yīng)力

4.3 豎向溫度應(yīng)力

混凝土箱梁橋各截面的箱梁腹板外緣和內(nèi)緣的豎向溫度應(yīng)力分布如圖7所示。分析圖7可知,混凝土箱梁不同截面的腹板外緣和內(nèi)緣豎向溫度應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致,均隨著距底板距離的增加呈先增大后減小的規(guī)律,其中腹板中部豎向溫度應(yīng)力最大;腹板內(nèi)緣豎向溫度應(yīng)力呈先減小后增大再減小的變化趨勢(shì),其中腹板底部豎向溫度應(yīng)力最大,頂部溫度應(yīng)力最小。中支點(diǎn)截面腹板外緣和內(nèi)緣豎向溫度應(yīng)力略大于主跨跨中截面豎向溫度應(yīng)力。

(a) 腹板外緣溫度應(yīng)力

5 結(jié)論

本文以南通某大跨度混凝土箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,研究了箱梁橋在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及各國(guó)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下的溫度應(yīng)力及豎向撓度分布規(guī)律,分析了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的最不利豎向溫差模式下混凝土箱梁截面的橫向及豎向溫度應(yīng)力分布規(guī)律,并得到如下主要結(jié)論:

1) 綜合分析各國(guó)規(guī)范下混凝土箱梁橋在最大懸臂狀態(tài)下中支點(diǎn)截面的頂板溫度應(yīng)力、在成橋狀態(tài)下橋梁溫度應(yīng)力及豎向撓度縱向分布規(guī)律,中國(guó)鐵路橋涵規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式最能準(zhǔn)確模擬本文依托橋梁的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)溫度梯度模式及其作用下的橋梁各階段溫度應(yīng)力。

2) 混凝土箱梁的頂板和底板部位主要承受橫向溫度應(yīng)力,不同箱梁截面頂板上緣和底板下緣橫向溫度應(yīng)力最大值位于板中線位置,跨中截面頂板下緣橫向溫度應(yīng)力較支點(diǎn)截面橫向溫度應(yīng)力稍大,跨中截面底板上緣橫向溫度應(yīng)力變化幅度較小。

3) 混凝土箱梁的腹板部位主要承受豎向溫度應(yīng)力,腹板外緣豎向溫度應(yīng)力最大值位于板中部位置,腹板內(nèi)緣豎向溫度應(yīng)力最大值位于板底部位置,最小值位于板頂部位置,支點(diǎn)截面腹板外緣和內(nèi)緣豎向溫度應(yīng)力略大于跨中截面豎向溫度應(yīng)力。