異形鋼拱塔橋梁溫度效應(yīng)分析

陳立忠

(中國(guó)水利水電第一工程局有限公司,吉林 長(zhǎng)春 130033)

鋼箱梁具有自重輕、強(qiáng)度高、施工便捷等特點(diǎn),因此近年來在城市橋梁施工中得到了廣泛運(yùn)用。由于鋼材導(dǎo)熱性能好,溫度作用對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響顯著[1]。雖然目前對(duì)鋼箱梁溫度效應(yīng)的研究取得了一些成果,但影響溫度場(chǎng)的因素眾多(如日照和風(fēng)力等),不可能全面考慮所有影響因素。另外,雖然我國(guó)規(guī)范對(duì)鋼橋的溫度作用做了相關(guān)規(guī)定,但我國(guó)幅員遼闊、各地溫度差異性較大,規(guī)范中的溫度作用模式與實(shí)際溫度場(chǎng)之間的區(qū)別還有待進(jìn)一步研究。有研究者開展了溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn),但研究成果大多僅適用于橋址處附近的地區(qū)[2-3]。此外,隨著對(duì)橋梁美觀度要求的提高,異形斜拉橋的數(shù)量日益增多,但異形橋梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,溫度效應(yīng)的影響也更加突出[4-5],因此有必要對(duì)異形斜拉橋的溫度效應(yīng)開展相應(yīng)的研究。

張玉平等[6]根據(jù)傳熱學(xué)和有限元原理,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合了無鋪裝層鋼箱梁日照條件下的溫度梯度。李傳習(xí)等[7]結(jié)合杭州江東大橋的施工監(jiān)控對(duì)鋼箱梁的日照溫差分布進(jìn)行觀測(cè)分析。聶玉東等[8]對(duì)氣候環(huán)境比較惡劣、天氣非常寒冷地區(qū)的混凝土梁橋做相應(yīng)的溫控和檢測(cè),對(duì)大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,發(fā)現(xiàn)橋梁箱型梁的溫差主要集中在箱梁腹板的內(nèi)部,頂、底板的溫差反而較小。以大慶市秀水路跨線橋?yàn)楣こ瘫尘?以4個(gè)國(guó)家的規(guī)范中溫度梯度模式的規(guī)定為基礎(chǔ),研究了異形鋼拱塔斜拉橋在不同溫度梯度模式和系統(tǒng)溫度變化下的溫度應(yīng)力。

1 工程概況

大慶市秀水路跨線橋?yàn)閱嗡髅娈愋凸八崩瓨?橋塔造型為拱塔形式,與水平面夾角為65°,全長(zhǎng)96.3 m(含鋼混結(jié)合段),拱塔最高為26.344 m(基于塔座頂)。拱塔塔底設(shè)置塔座,鋼塔根部錨入塔靴4 m。鋼塔均為單箱單室倒梯形鋼結(jié)構(gòu),倒梯形頂部寬3～4.3 m,底板寬0.8 m,沿拱塔軸向?yàn)樽兘孛?頂?shù)装搴?0 mm,腹板厚30 mm,頂?shù)装?、腹板縱向采用I型加勁肋。鋼塔分節(jié)段在工廠預(yù)制。各節(jié)段在工廠預(yù)制并進(jìn)行預(yù)拼裝,完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),采用由根部向塔頂?shù)跹b,節(jié)段吊裝就位后采用對(duì)接熔透焊方式形成整體。

主梁采用三跨連續(xù)鋼箱梁,單箱雙室斜腹板斷面,鋼梁寬度為6.2 m,梁高1.5 m,鋼箱梁頂?shù)装逶O(shè)置單向1.0%橫坡,在邊跨漸變到平坡;鋼箱梁頂板、腹板厚為12 mm,底板厚為16 mm?？v向采用I型加勁肋,加勁板高120 mm,厚12 mm。橫隔板采用實(shí)腹式橫隔板,標(biāo)準(zhǔn)段布置間距為2 m,橫隔板厚度為12 mm;支點(diǎn)處橫隔板厚度加強(qiáng)至16 mm。橋梁全長(zhǎng)94 m,分節(jié)段在工廠預(yù)制。各節(jié)段在工廠預(yù)制完成后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng),采用由支點(diǎn)向跨中吊裝,節(jié)段吊裝就位后采用對(duì)接熔透焊方式形成整體。橋面鋪裝采用3 cm彩色混凝土瀝青。支座采用板式橡膠支座。

斜拉索順橋向間距4 m,全橋共計(jì)13根斜拉索,對(duì)稱布置。斜拉索索體采用鍍鋅鋁合金鋼絲雙層HDPE的防腐索體,斜拉索公稱直徑為37.082 mm,每根斜拉索由55股鋼絲組成,鋼絲強(qiáng)度等級(jí)1 760 MPa。橋塔塔座、承臺(tái)及樁基采用混凝土結(jié)構(gòu),樁基采用鉆孔灌注樁。主梁中墩采用Y形鋼墩與主梁固結(jié)。Y墩上部為1.4 m×1.2 m矩形截面,壁厚30 mm,Y墩下部為2 m×1.2 m矩形截面,壁厚30 mm。連接墩橋墩采用圓形變截面鋼墩,截面尺寸為0.3～0.6 m,壁厚20 mm。

2 建立有限元模型

采用midas Civil軟件建立該橋的有限元模型,如圖1所示。主梁、拱塔、橋墩和基礎(chǔ)均采用梁?jiǎn)卧M,斜拉索采用桁架單元模擬。斜拉索底端與主梁采用彈性連接(剛性)連接。承臺(tái)底部采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬樁基提供的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。橋梁地震反應(yīng)分析中,樁基礎(chǔ)的常用處理方法是在承臺(tái)底加六個(gè)方向的彈簧來模擬樁基礎(chǔ)的作用,如圖2所示,并由承臺(tái)底部?jī)?nèi)力按靜力方法反推單樁最不利受力。彈簧剛度根據(jù)土層狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定,由土性資料確定m值,這種處理方法在低樁承臺(tái)樁基礎(chǔ)中廣泛采用。經(jīng)計(jì)算,群樁基礎(chǔ)的六彈簧剛度如表1所示。過渡墩的板式橡膠支座采用彈性連接模擬,并按照支座的剪切剛度設(shè)置水平向剛度,板式橡膠支座的計(jì)算如公式(1)所示。

(1)

表1 群樁基礎(chǔ)的六彈簧剛度

圖1 秀水路跨線橋結(jié)構(gòu)有限元模型

圖2 樁基礎(chǔ)的六彈簧模型

式中:k為橡膠支座的水平剛度,kN/m;Gd為橡膠支座的動(dòng)剪切模量,kN/m2,一般取1 200 kN/m2;Ad為支座的剪切面積,m2;∑t為橡膠層總厚度,m。

3 各國(guó)規(guī)范溫度梯度比較

3.1 英國(guó)BS-5400規(guī)范

英國(guó)BS-5400規(guī)范是各國(guó)規(guī)范中對(duì)于溫度梯度規(guī)定最為詳細(xì)的一本規(guī)范,在設(shè)計(jì)一些特殊橋梁,若無實(shí)測(cè)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí),設(shè)計(jì)單位通常都會(huì)參考英國(guó)BS-5400規(guī)范[9]。英國(guó)BS-5400規(guī)范根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)類型(混凝土橋或鋼橋)以及鋪裝層的種類和厚度,將橋梁結(jié)構(gòu)分成四種類型,并規(guī)定了相應(yīng)類型橋梁的正溫度梯度和負(fù)溫度梯度。英國(guó)BS-5400規(guī)范的溫度分布模式如圖3所示。正溫差為四段折線,從梁頂計(jì)算,分布間距分別為0.1 m、0.2 m和0.3 m。負(fù)溫差模式只包含一段折線,從梁頂計(jì)算溫度變化范圍為0.5 m。

h—主梁高度,mm;h1～h3—三組從梁頂至梁底的間距,mm;T1～T4—各層頂部溫度,℃。

3.2 新西蘭NZBM-2003規(guī)范

新西蘭NZBM-2003規(guī)范給出了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的溫度梯度模式,該規(guī)范根據(jù)Priestley的試驗(yàn)和分析研究成果,采用五次冪函數(shù)描述梁體的溫度梯度分布,溫度梯度函數(shù)如公式(2)、公式(3)所示,溫度梯度模式如圖4所示。在進(jìn)行分析時(shí),可將五次冪函數(shù)采用分段的線性函數(shù)近似代替,沿梁高方向劃分為4段。

(2)

h—主梁高度,mm;T1—梁頂溫度,℃。

T1=32-0.2d

(3)

T1—梁頂溫度,℃;T2—去除鋪裝層的梁頂溫度,℃;T3—梁底溫度,一般取0℃;A—鋼梁豎向溫度梯度控制參數(shù),mm。

T1—梁頂溫度,℃;T2—去除鋪裝層的梁頂溫度,℃;A—鋼梁豎向溫度梯度控制參數(shù),mm。

式中:Ty為計(jì)算點(diǎn)的溫度,℃;T1為梁頂溫度,℃;d為瀝青層的厚度,mm;y為計(jì)算點(diǎn)到梁頂?shù)木嚯x,mm。

3.3 美國(guó)AASHTO規(guī)范

美國(guó)AASHTO規(guī)范溫度梯度模式如圖5所示,其中t為鋪裝層厚度,A根據(jù)梁高H確定,當(dāng)H≥400 mm時(shí),A=300 mm;當(dāng)H<400 mm時(shí),A=(H-100)mm。T1、T2根據(jù)橋梁所在地區(qū)進(jìn)行取值,全美共分為4個(gè)大區(qū),如表2所示。根據(jù)本橋例大慶市所在位置,計(jì)算時(shí)選用美國(guó)AASHTO規(guī)范的4區(qū)溫度基數(shù)。負(fù)溫差為正溫差的-0.2倍。

表2 美國(guó)AASHTO規(guī)范溫度基數(shù)取值

3.4 中國(guó)JTG D60—2015規(guī)范

中國(guó)JTG D60—2015規(guī)范參考了美國(guó)AASHTO規(guī)范的溫度梯度模式,如圖6所示,T1、T2選用了美國(guó)2區(qū)溫度參數(shù),但并未像ASSHTO規(guī)范一樣設(shè)置不同溫度分區(qū)。日照負(fù)溫差為正溫差的-0.5倍。

4 異形鋼拱塔斜拉橋溫度應(yīng)力計(jì)算

4.1 正溫度梯度下主梁應(yīng)力

為了研究不同溫度梯度模式對(duì)異形鋼拱塔斜拉橋溫度應(yīng)力造成的差異,分別研究英國(guó)、新西蘭、美國(guó)、中國(guó)規(guī)范中的溫度梯度模式下的主梁應(yīng)力,并將主梁應(yīng)力沿主梁縱向的結(jié)果繪制如圖7所示。

圖7 4種規(guī)范正溫度梯度下的主梁應(yīng)力對(duì)比

根據(jù)圖7(a)可以看出,不同規(guī)范下截面上緣應(yīng)力縱向分布規(guī)律相似,最大應(yīng)力位于主梁跨中,英國(guó)、新西蘭、美國(guó)、中國(guó)規(guī)范下的最大應(yīng)力分別為42.3、46.4、38.7、36.3 MPa,新西蘭規(guī)范的最大應(yīng)力值在4種規(guī)范當(dāng)中最大,這也與文獻(xiàn)中的研究結(jié)果一致[10],中國(guó)規(guī)范的應(yīng)力值最小。主梁上緣受壓應(yīng)力,這是因?yàn)榻孛嫔暇墱囟雀?在溫度作用下本應(yīng)上緣伸長(zhǎng)下緣縮短,但由于橋梁結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu),在約束作用下主梁伸長(zhǎng)受限,相當(dāng)于外部約束為主梁施加了壓力,因此上緣溫度應(yīng)力為壓應(yīng)力。除了主梁跨中應(yīng)力較大外,中墩處主梁應(yīng)力存在突變,應(yīng)力值達(dá)到局部的極大值。由于中墩為Y形墩,主梁與中墩相交的兩處位置應(yīng)力均較大,而中墩分叉之間主梁溫度應(yīng)力大致呈平臺(tái)段過渡。過渡墩由于采用的是板式橡膠支座,該處溫度應(yīng)力得到有效釋放,溫度應(yīng)力較小[7]。

圖7(b)為主梁截面下緣應(yīng)力沿縱向的分布規(guī)律,從中可以看出,下緣應(yīng)力的變化趨勢(shì)與上緣應(yīng)力相近,極值點(diǎn)分布在主梁跨中和中墩處。英國(guó)、新西蘭、美國(guó)、中國(guó)規(guī)范下截面下緣的最大應(yīng)力分別為21.9、17.8、13.3、14.0 MPa。英國(guó)規(guī)范的最大應(yīng)力值最大,美國(guó)規(guī)范最大應(yīng)力值最小。同時(shí)可發(fā)現(xiàn),美國(guó)和中國(guó)規(guī)范下梁端截面下緣存在壓應(yīng)力,這可能是由于兩者的溫度梯度模式均為雙折線所致,兩者的截面下緣應(yīng)力趨勢(shì)也很接近,而英國(guó)和新西蘭規(guī)范的溫度模式為多段線或曲線,溫度梯度沿截面變化的突變點(diǎn)更少。美國(guó)和中國(guó)規(guī)范下梁端截面下緣應(yīng)力為負(fù),跨中應(yīng)力為正,這使得主梁的應(yīng)力幅值相比英國(guó)和新西蘭規(guī)范更小。

4.2 負(fù)溫度梯度下主梁應(yīng)力

負(fù)溫度梯度下主梁應(yīng)力如圖8所示,圖8(a)為截面上緣應(yīng)力,英國(guó)、新西蘭和中國(guó)規(guī)范的負(fù)溫度梯度下主梁截面上緣應(yīng)力相近,美國(guó)規(guī)范明顯偏小,這是因?yàn)槊绹?guó)規(guī)范規(guī)定負(fù)溫度梯度僅為正溫度梯度的-0.2倍,而中國(guó)規(guī)范規(guī)定負(fù)溫度梯度為正溫度梯度的-0.5倍。截面上緣應(yīng)力最大值位于跨中,英國(guó)、新西蘭、美國(guó)、中國(guó)規(guī)范下截面上緣的最大應(yīng)力分別為8.9、9.2、4.6、9.5 MPa。在中墩支點(diǎn)處主梁存在局部應(yīng)力的極大值。圖8(b)為截面下緣應(yīng)力,應(yīng)力最大值位于主梁跨中,中國(guó)規(guī)范的截面下緣應(yīng)力最大。英國(guó)、新西蘭、美國(guó)、中國(guó)規(guī)范下的截面下緣最大應(yīng)力分別為2.7、5.4、4.2、8.5 MPa。

圖8 4種規(guī)范負(fù)溫度梯度的主梁應(yīng)力對(duì)比

4.3 系統(tǒng)溫度下主梁應(yīng)力

由于異形鋼拱塔橋梁為高次超靜定結(jié)構(gòu),在系統(tǒng)溫度變化下,結(jié)構(gòu)也將產(chǎn)生溫度應(yīng)力。本橋例所處的大慶市全年溫差顯著,體系升溫39 ℃,體系降溫-56 ℃。系統(tǒng)溫度變化下主梁和拱塔應(yīng)力如圖9所示。圖9(a)為主梁應(yīng)力沿橋例縱向分布,從圖中可以看出,主梁的最大應(yīng)力位于跨中,系統(tǒng)升溫和系統(tǒng)降溫下主梁最大應(yīng)力分別為8.5 MPa、11.3 MPa。此外,由于中墩與主梁固結(jié),邊墩為活動(dòng)支座,故主梁的應(yīng)力較大區(qū)域集中在中墩到跨中區(qū)域。圖9(b)為拱塔應(yīng)力分布,拱塔的最大應(yīng)力位于拱頂,從拱腳到拱頂應(yīng)力逐漸增加。系統(tǒng)升溫和系統(tǒng)降溫下拱塔最大應(yīng)力分別為6.1 MPa、8.8 MPa。

圖9 系統(tǒng)溫度變化下主梁和拱塔應(yīng)力

5 結(jié) 論

對(duì)異型拱塔斜拉橋的溫度作用開展了研究,得到以下結(jié)論。

(1)在4種規(guī)范規(guī)定的溫度梯度作用模式下,異型拱塔斜拉橋主梁截面應(yīng)力分布規(guī)律大致相同。其中在正溫度梯度下,新西蘭規(guī)范計(jì)算的截面應(yīng)力最大,而中國(guó)規(guī)范計(jì)算的截面應(yīng)力較小,這在一些特殊橋梁上可能是偏于不保守的。在負(fù)溫度梯度作用下,美國(guó)規(guī)范下的溫度梯度應(yīng)力最小。

(2)在系統(tǒng)溫度變化作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力小于梯度溫度作用產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,說明該異型拱塔斜拉橋在設(shè)計(jì)分析時(shí)以考慮梯度溫度作用為主。我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范沒有設(shè)置溫度分區(qū),可以考慮采用英國(guó)規(guī)范偏保守地進(jìn)行驗(yàn)算。

(3)在梯度溫度和系統(tǒng)溫度下,主梁溫度應(yīng)力最大值均位于跨中,中墩處也存在局部應(yīng)力的極大值,系統(tǒng)溫度下拱塔的溫度應(yīng)力最大值位于拱頂,在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可考慮對(duì)這些部位進(jìn)行加強(qiáng)。

(4)對(duì)異型拱塔斜拉橋溫度應(yīng)力的研究只考慮了豎向溫度效應(yīng),而未考慮橫向溫度效應(yīng),主梁的上下游溫度差也尚未考慮,由于這些因素,對(duì)異型拱塔斜拉橋的溫度作用有待開展更深入的研究。