連續(xù)梁橋溫度應(yīng)力的控制研究

+鄧希

摘要：在橋梁建設(shè)中，連續(xù)梁橋被廣泛應(yīng)用，但是，由于其超靜定結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，會受到溫度、沉降、收縮徐變等因素的影響。溫度應(yīng)力已被認(rèn)為是產(chǎn)生裂縫的主要原因，有時，其大小能與活載應(yīng)力達(dá)到同一量級，因此，研究連續(xù)梁橋溫度應(yīng)力及其裂縫的控制具有重大意義。通過Midas建立1個4×30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁模型，總結(jié)了影響混凝土連續(xù)梁橋溫度應(yīng)力的因素，以期為今后的工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁橋；溫度梯度；溫度應(yīng)力；Midas/Civil

中圖分類號：U441+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095－6835（2014）09－0066－02

在預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋中，溫度應(yīng)力可達(dá)到甚至超過活載應(yīng)力，所以，它已被確定為是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫的主要原因。溫差效應(yīng)主要包括常年溫差、日照溫差和氣溫驟降。在上部結(jié)構(gòu)截面的溫差應(yīng)力計算中，受日照溫差影響較大，而在下部結(jié)構(gòu)的溫差應(yīng)力計算中，年溫差對其影響較大。常年溫差主要會引起縱橋向的變形，但可以通過伸縮縫和支座來消除。本文主要研究的是日照溫差的溫度應(yīng)力?；炷敛牧系臒醾鲗?dǎo)性能較差，變化速度較快的日照溫度是引起混凝土箱梁內(nèi)外溫度差的主要原因。用Midas/Civil建立相應(yīng)的有限元模型，研究影響連續(xù)梁橋溫度應(yīng)力的因素并提出相應(yīng)的控制措施。

1模型建立

用Midas/Civil建立模型，把溫度作為模型的荷載對其進(jìn)行加載計算，軟件提供了系溫度、節(jié)點(diǎn)溫度、單元溫度、溫度梯度和梁截面溫度5種溫度荷載加載方法，本文用梁截面溫度對模型進(jìn)行加載。模型為1個4×30 m的預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁橋，橋梁寬度20.5 m，主梁高度1.6 m，混凝土強(qiáng)度為C50.主梁模型離散化為120個單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為121個。

2計算方法

2.1溫度梯度

在計算溫度應(yīng)力之前，應(yīng)先確定溫度場在橋梁結(jié)構(gòu)中的分布情況。在實(shí)際情況中，溫度是x，y，z和時間t的一個四維函數(shù)，既T=f（x，y，z，t）.但是，由于腹板日照時間短，底板不能接受日照，所以，只有頂板終日受日照。因此，將溫度的分布簡化成頂板向下傳熱的模型，溫度梯度一般可以分為線性分布和非線性分布，溫度梯度在不同的地區(qū)分布各不相同。我國規(guī)范的溫度梯度如1和表1所示，當(dāng)梁高H＜400 mm時，圖1中A=H－100（mm）；當(dāng)梁高H≥400 mm時，A=300 mm。為了對比不同溫度梯度的計算結(jié)果，查找了英國規(guī)范規(guī)定的混凝土箱梁的溫度梯度，如圖2所示，橋面頂板和底板的溫度以折線形式增加、減少。

圖1我國規(guī)范溫度梯度圖2英國規(guī)范溫度梯度

表1日照溫差溫度基數(shù)

鋪裝層類型 T1/℃ T2/℃

混凝土鋪裝 25 6.7

5 cm瀝青混凝土 20 6.7

10 cm瀝青混凝土 14 5.5

排水、防水處理，減少降雨、地下水對路基穩(wěn)固性的影響，確保排水的通暢，避免路基和路基附近形成積水面。②通過減重等方式改善路基段的土質(zhì)環(huán)境，降低路基和邊坡發(fā)生滑坡的概率，盡可能減小路基上的機(jī)械作業(yè)等產(chǎn)生的震動對土力的影響。③結(jié)合滑坡性質(zhì)，對滑坡段進(jìn)行集中的整治、處理，改善公路施工的路基環(huán)境，確保公路施工和使用的安全性、穩(wěn)固性。總之，在施工中，結(jié)合滑坡的具體情況，采用多種方式組合處理，提高路基處理的效果，提高公路施工的安全性、經(jīng)濟(jì)性和方便性，促進(jìn)公路工程社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

3結(jié)束語

公路工程施工距離長、難度大、工程實(shí)況復(fù)雜。在具體的施工過程中，對特殊路基的處理，一方面，要堅持實(shí)事求是的處理原則，對特殊路基的地形、地貌、地質(zhì)、水紋等進(jìn)行科學(xué)、深入的研究。結(jié)合研究結(jié)果和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，選擇妥當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄟM(jìn)行綜合處理。另一方面，特殊路基的處理要結(jié)合方便性、經(jīng)濟(jì)性的原則，盡可能就地取材，改善路基地質(zhì)環(huán)境，避免不必要的浪費(fèi)。要將施工工藝與路基自然環(huán)境巧妙、緊密地結(jié)合起來，確保施工質(zhì)量控制和成本控制，重視工程的持久性、穩(wěn)固性和綜合效益的發(fā)揮。

參考文獻(xiàn)

［1］宋萬里.對新形勢下公路施工中特殊路基處理措施探討［J］.交通與管理，2013（06）.

［2］江仲明.公路特殊路基復(fù)合處理施工技術(shù)實(shí)踐與探討［J］.中國科技博覽，2013（30）.

［3］余洋.探討公路施工中特殊路基處理方法［J］.黑龍江交通科技，2013（09）.

〔編輯：白潔〕

Basic Processing Method of Special Roadbed in Highway Construction

Fan Bin

Abstract: On the basis of several special features roadbed brief analysis of the proposed special roadbed some basic processing methods, and discuss them with examples, aimed at improving the quality of construction of these special subgrade treatment effect and highway projects.

Key words: road construction; special roadbed; treatment; quality

2.2溫度應(yīng)力計算

假設(shè)梁在溫度荷載作用下仍服從平截面假定，且溫度沿縱向是均勻分布的，僅沿梁高梯度分布。由于頂板溫度的升高使梁體有上饒的趨勢，但是，由于多余約束的作用，使梁體內(nèi)產(chǎn)生溫度次應(yīng)力，即彎曲正應(yīng)力和剪應(yīng)力。另一方面，因?yàn)闇囟忍荻确蔷€性分布，如果梁體縱向纖維無約束即自由變形，則橫截面的變形同溫度梯度形狀相同，與平截面假定矛盾，因此，縱向纖維之間存在自我約束，又被稱為自應(yīng)力。因此，溫度應(yīng)力包括溫度次應(yīng)力和自應(yīng)力兩部分。溫度次應(yīng)力的彎曲正應(yīng)力、剪應(yīng)力、材料力學(xué)和自應(yīng)力公式是從范立礎(chǔ)的《預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋》中推導(dǎo)出來的，最后由兩部分相疊加而成。

3計算結(jié)果

3.1公路橋梁瀝青鋪裝厚度的影響

在公路橋梁中，橋面有一層瀝青混凝土鋪裝，瀝青混凝土鋪裝能夠吸收部分熱量，使得傳到橋面混凝土的溫度比直接受日照的橋面溫度低，從而減小了主梁的日照溫差。溫度梯度的最大溫差減小了，那么相應(yīng)的溫度應(yīng)力也會減小。根據(jù)《公路橋涵交通設(shè)計規(guī)范》中的溫度梯度發(fā)布，分別調(diào)整模型的溫度梯度發(fā)布來模擬不同鋪裝層厚度對溫度應(yīng)力產(chǎn)生的影響，計算結(jié)果如表2所示。

由所得計算結(jié)果可知，隨著橋面瀝青混凝土鋪裝層厚度的逐漸增加，對應(yīng)的溫度內(nèi)力在逐漸減小。所以，對公路橋梁而言，如果為較厚的瀝青鋪裝層時，它對橋面板有明顯的減溫作用，但是，較薄的瀝青鋪裝層反而會因?yàn)槲鼰釋蛎姘瀹a(chǎn)生不利的影響。因此，在橋面板上保證一定厚度的瀝青鋪裝層是降低溫度應(yīng)力的有效措施。

表2不同鋪裝厚度的溫度應(yīng)力

鋪裝厚度/cm T1/℃ T2/℃ 溫度應(yīng)力/MPa

5 20 6.7 6.192

6 18.8 6.46 5.827

7 17.6 6.22 5.444

8 16.4 5.98 5.043

9 15.2 5.74 4.662

10 14 5.5 4.297

圖3不同鋪裝厚度的溫度應(yīng)力圖4不同溫度梯度的計算結(jié)果

3.2溫度梯度的影響

在橋梁橫截面中，不同的溫度分布會產(chǎn)生不同的溫度應(yīng)力。本文模擬了我國規(guī)范和英國規(guī)范中的溫度梯度得到相應(yīng)的計算結(jié)果。

圖4中給出了第二跨主梁各截面位置的溫度應(yīng)力，從圖中可以看出，兩國規(guī)范的溫度梯度計算值相差較大，所以，建立

符合我國的溫度梯度是十分必要的。

3.3橋墩高度的影響

通過調(diào)整模型中橋墩的高度得出一系列數(shù)據(jù)，計算簡圖和計算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著橋墩高度的增加，溫度影響力在逐漸減小。橋墩高度是制約主梁豎向變形的主要因素，因?yàn)闇囟葢?yīng)力主要是主梁變形受到多余約束的制約而產(chǎn)生的。當(dāng)高度越高時，橋墩適應(yīng)主梁豎向變形的能力就越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力相應(yīng)就越低，因此，在連續(xù)結(jié)構(gòu)中的橋墩應(yīng)盡量設(shè)置成高墩。

圖5不同橋墩高度的最大溫度應(yīng)力 圖6單雙薄壁墩的溫度應(yīng)力

3.4橋墩抗推剛度的影響

橋墩抗推剛度是制約主梁縱向伸縮的主要原因，當(dāng)橋墩剛度過大時，主梁伸縮會受到較大的限制，不僅在主梁上會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，橋墩上也會產(chǎn)生較大的水平推力。由此可知，可以通過增加橋墩高度、減小墩柱縱向尺寸、采用雙薄壁墩等措施來降低橋墩的抗推剛度，從而降低溫度引起的伸縮應(yīng)力。

從圖6中可以看出，單薄壁墩和雙薄壁墩的溫度應(yīng)力存在一定的差異，雙薄壁墩的溫度應(yīng)力比單薄壁墩的溫度應(yīng)力小，這主要是因?yàn)殡p薄壁墩的抗推剛度較小，因此，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也會相應(yīng)較小。

4結(jié)論

通過以上分析，可得出以下結(jié)論：①適當(dāng)厚度的瀝青混凝土鋪裝層有利于減小主梁的溫度應(yīng)力值，并且隨著橋面瀝青鋪裝層厚度的增加，對應(yīng)的溫度應(yīng)力會逐漸減小。②不同的溫度分布計算出的溫度應(yīng)力值差異較大，建議相關(guān)部門建立符合我國不同地區(qū)的溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)，以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。③橋墩高度是適應(yīng)連續(xù)梁溫度變形的重要因素之一。隨著橋墩高度的逐漸增加，溫度應(yīng)力會逐漸減小，所以，連續(xù)梁橋的橋墩應(yīng)盡量設(shè)置成高墩。④橋墩的抗推剛度是連續(xù)剛構(gòu)橋適應(yīng)主梁溫度伸縮的重要因素?？雇苿偠容^小的橋墩對應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小，采用雙薄壁墩可達(dá)到較好的效果。

參考文獻(xiàn)

［1］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］任坤明.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度效應(yīng)分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［3］秦煜.混凝土連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)分析［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［4］中華人民共和國交通部.JTGD 60—2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

〔編輯：白潔〕

Continuous Control of Temperature Stress of Bridge

Deng Xi

Abstract: In bridge construction, continuous beam bridge is widely used, however, because of its nature statically indeterminate structure will be subject to temperature, settlement, shrinkage and creep factors. Temperature stress has been considered to be the main reason for cracks, sometimes, its size and the live load stress can reach the same order, therefore, study and control of temperature stress fractures continuous bridge of great significance. Establishment of a 4 × 30 m by Midas continuous prestressed concrete box girder model, summarized the factors affecting the concrete continuous beam bridge temperature stress, in order to provide a reference for future engineering practice.

Key words: continuous bridge; temperature gradient; temperature stress; Midas/Civil

圖3不同鋪裝厚度的溫度應(yīng)力圖4不同溫度梯度的計算結(jié)果

3.2溫度梯度的影響

在橋梁橫截面中，不同的溫度分布會產(chǎn)生不同的溫度應(yīng)力。本文模擬了我國規(guī)范和英國規(guī)范中的溫度梯度得到相應(yīng)的計算結(jié)果。

圖4中給出了第二跨主梁各截面位置的溫度應(yīng)力，從圖中可以看出，兩國規(guī)范的溫度梯度計算值相差較大，所以，建立

符合我國的溫度梯度是十分必要的。

3.3橋墩高度的影響

通過調(diào)整模型中橋墩的高度得出一系列數(shù)據(jù)，計算簡圖和計算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著橋墩高度的增加，溫度影響力在逐漸減小。橋墩高度是制約主梁豎向變形的主要因素，因?yàn)闇囟葢?yīng)力主要是主梁變形受到多余約束的制約而產(chǎn)生的。當(dāng)高度越高時，橋墩適應(yīng)主梁豎向變形的能力就越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力相應(yīng)就越低，因此，在連續(xù)結(jié)構(gòu)中的橋墩應(yīng)盡量設(shè)置成高墩。

圖5不同橋墩高度的最大溫度應(yīng)力 圖6單雙薄壁墩的溫度應(yīng)力

3.4橋墩抗推剛度的影響

橋墩抗推剛度是制約主梁縱向伸縮的主要原因，當(dāng)橋墩剛度過大時，主梁伸縮會受到較大的限制，不僅在主梁上會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，橋墩上也會產(chǎn)生較大的水平推力。由此可知，可以通過增加橋墩高度、減小墩柱縱向尺寸、采用雙薄壁墩等措施來降低橋墩的抗推剛度，從而降低溫度引起的伸縮應(yīng)力。

從圖6中可以看出，單薄壁墩和雙薄壁墩的溫度應(yīng)力存在一定的差異，雙薄壁墩的溫度應(yīng)力比單薄壁墩的溫度應(yīng)力小，這主要是因?yàn)殡p薄壁墩的抗推剛度較小，因此，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也會相應(yīng)較小。

4結(jié)論

通過以上分析，可得出以下結(jié)論：①適當(dāng)厚度的瀝青混凝土鋪裝層有利于減小主梁的溫度應(yīng)力值，并且隨著橋面瀝青鋪裝層厚度的增加，對應(yīng)的溫度應(yīng)力會逐漸減小。②不同的溫度分布計算出的溫度應(yīng)力值差異較大，建議相關(guān)部門建立符合我國不同地區(qū)的溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)，以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。③橋墩高度是適應(yīng)連續(xù)梁溫度變形的重要因素之一。隨著橋墩高度的逐漸增加，溫度應(yīng)力會逐漸減小，所以，連續(xù)梁橋的橋墩應(yīng)盡量設(shè)置成高墩。④橋墩的抗推剛度是連續(xù)剛構(gòu)橋適應(yīng)主梁溫度伸縮的重要因素?？雇苿偠容^小的橋墩對應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小，采用雙薄壁墩可達(dá)到較好的效果。

參考文獻(xiàn)

［1］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］任坤明.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度效應(yīng)分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［3］秦煜.混凝土連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)分析［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［4］中華人民共和國交通部.JTGD 60—2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

〔編輯：白潔〕

Continuous Control of Temperature Stress of Bridge

Deng Xi

Abstract: In bridge construction, continuous beam bridge is widely used, however, because of its nature statically indeterminate structure will be subject to temperature, settlement, shrinkage and creep factors. Temperature stress has been considered to be the main reason for cracks, sometimes, its size and the live load stress can reach the same order, therefore, study and control of temperature stress fractures continuous bridge of great significance. Establishment of a 4 × 30 m by Midas continuous prestressed concrete box girder model, summarized the factors affecting the concrete continuous beam bridge temperature stress, in order to provide a reference for future engineering practice.

Key words: continuous bridge; temperature gradient; temperature stress; Midas/Civil

圖3不同鋪裝厚度的溫度應(yīng)力圖4不同溫度梯度的計算結(jié)果

3.2溫度梯度的影響

在橋梁橫截面中，不同的溫度分布會產(chǎn)生不同的溫度應(yīng)力。本文模擬了我國規(guī)范和英國規(guī)范中的溫度梯度得到相應(yīng)的計算結(jié)果。

圖4中給出了第二跨主梁各截面位置的溫度應(yīng)力，從圖中可以看出，兩國規(guī)范的溫度梯度計算值相差較大，所以，建立

符合我國的溫度梯度是十分必要的。

3.3橋墩高度的影響

通過調(diào)整模型中橋墩的高度得出一系列數(shù)據(jù)，計算簡圖和計算結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著橋墩高度的增加，溫度影響力在逐漸減小。橋墩高度是制約主梁豎向變形的主要因素，因?yàn)闇囟葢?yīng)力主要是主梁變形受到多余約束的制約而產(chǎn)生的。當(dāng)高度越高時，橋墩適應(yīng)主梁豎向變形的能力就越大，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力相應(yīng)就越低，因此，在連續(xù)結(jié)構(gòu)中的橋墩應(yīng)盡量設(shè)置成高墩。

圖5不同橋墩高度的最大溫度應(yīng)力 圖6單雙薄壁墩的溫度應(yīng)力

3.4橋墩抗推剛度的影響

橋墩抗推剛度是制約主梁縱向伸縮的主要原因，當(dāng)橋墩剛度過大時，主梁伸縮會受到較大的限制，不僅在主梁上會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，橋墩上也會產(chǎn)生較大的水平推力。由此可知，可以通過增加橋墩高度、減小墩柱縱向尺寸、采用雙薄壁墩等措施來降低橋墩的抗推剛度，從而降低溫度引起的伸縮應(yīng)力。

從圖6中可以看出，單薄壁墩和雙薄壁墩的溫度應(yīng)力存在一定的差異，雙薄壁墩的溫度應(yīng)力比單薄壁墩的溫度應(yīng)力小，這主要是因?yàn)殡p薄壁墩的抗推剛度較小，因此，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也會相應(yīng)較小。

4結(jié)論

通過以上分析，可得出以下結(jié)論：①適當(dāng)厚度的瀝青混凝土鋪裝層有利于減小主梁的溫度應(yīng)力值，并且隨著橋面瀝青鋪裝層厚度的增加，對應(yīng)的溫度應(yīng)力會逐漸減小。②不同的溫度分布計算出的溫度應(yīng)力值差異較大，建議相關(guān)部門建立符合我國不同地區(qū)的溫度梯度標(biāo)準(zhǔn)，以提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。③橋墩高度是適應(yīng)連續(xù)梁溫度變形的重要因素之一。隨著橋墩高度的逐漸增加，溫度應(yīng)力會逐漸減小，所以，連續(xù)梁橋的橋墩應(yīng)盡量設(shè)置成高墩。④橋墩的抗推剛度是連續(xù)剛構(gòu)橋適應(yīng)主梁溫度伸縮的重要因素?？雇苿偠容^小的橋墩對應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小，采用雙薄壁墩可達(dá)到較好的效果。

參考文獻(xiàn)

［1］范立礎(chǔ).預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］任坤明.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度效應(yīng)分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2007.

［3］秦煜.混凝土連續(xù)箱梁橋溫度效應(yīng)分析［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［4］中華人民共和國交通部.JTGD 60—2004 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

〔編輯：白潔〕

Continuous Control of Temperature Stress of Bridge

Deng Xi

Abstract: In bridge construction, continuous beam bridge is widely used, however, because of its nature statically indeterminate structure will be subject to temperature, settlement, shrinkage and creep factors. Temperature stress has been considered to be the main reason for cracks, sometimes, its size and the live load stress can reach the same order, therefore, study and control of temperature stress fractures continuous bridge of great significance. Establishment of a 4 × 30 m by Midas continuous prestressed concrete box girder model, summarized the factors affecting the concrete continuous beam bridge temperature stress, in order to provide a reference for future engineering practice.

Key words: continuous bridge; temperature gradient; temperature stress; Midas/Civil