混凝土連續剛構橋溫差應力有限元分析

宋香娥+宋秋娥+魏斌

（1.北京第二外國語學院基建處，北京 100024；2.京煤集團物業管理公司，北京 102300；

3.北京昊華能源公司京東方能源投資有限公司，北京 100015）

摘要：文章通過建立混凝土連續剛構橋有限元物理和數學模型，并與工程實例相結合，對不同溫度梯度模式下溫差在施工控制中對橋梁線型及受力的影響進行了分析。研究結果表明不同溫度梯度模型對主梁變形有較大影響，尤其對最大懸臂端，如果設計時對梯度溫差考慮不足的話，很可能會造成梁端部下撓大于設計計算值，從而造成全橋合攏及線形控制的困難。

關鍵詞：橋梁工程；預應力連續剛構；有限元方法；溫度梯度；應力及變形

中圖分類號：U448文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2014）22-0023-03對于大跨度連續梁橋來說，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移等構造措施來消除因常年緩慢變化的年溫差導致橋梁產生的縱向位移；而對于連續剛構橋，由于梁的縱向位移受到了與其固結的主墩的約束而使得主墩墩身會產生較大的彎矩，溫度變化加大了對鋼構橋梁結構的受力與變形影響，這種影響隨溫度梯度的變化而變化。箱形截面梁懸臂施工控制的兩個最重要的方面是線型控制和應力控制，而溫度是影響這兩個方面的重要因素。

1混凝土連續剛構橋溫差應力有限元分析

1.1連續剛構橋工程實例

水磨灣特大橋位于少林寺至洛陽高速公路K21+910m處。該橋主橋為預應力混凝土連續剛構橋，跨經組成為65+110+65＝240m，空心薄壁式橋墩、鉆孔灌注樁基礎。上部結構為單箱單室斷面，頂板寬度為12.75m，底板寬度為6.5m，箱梁根部梁高6.0m，跨中及邊跨合攏段梁高為2.3m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化。主橋主梁采用三向預應力體系：縱向預應力氛圍頂板束、底板束邊跨合攏鋼束三種，采用ASTM-92標準的15Φj15.24mm的270級鋼絞線，OVM15-15錨具，張拉力為2930kN；豎向預應力采用Φj32mm的高強精軋螺紋粗鋼筋，YGM錨具，張拉力為452kN；橫橋向預應力采用ASTM-92標準的3Φj15.24mm的270級鋼絞線，BM15-3錨具，張拉力為586kN。

1.2計算物理模型

水磨灣特大橋的靜力計算采用空間有限元分析程序（Midas/Civil），其計算物理模型如圖1所示。全橋共劃分為78個單元，其中主梁劃分為66個單元，主墩劃分為12個單元。懸臂澆筑橋梁結構施工階段定義與實際施工階段劃分一致，如圖2所示。

圖1有限元計算物理模型

圖2計算模型—懸臂澆筑施工節段劃分

2溫度梯度模式

為了分析梁內溫度應力和應變在不同溫度梯度模式作用下的變化情況，本文選擇了六種溫度梯度模式來計算施工過程中預應力混凝土連續剛構橋最大懸臂階段在不同施工階段時溫度應力及應變的變化情況。

梯度模式1：箱梁腹板和底板無溫差，橋面板均勻升溫，溫差為5℃，按照《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋梁設計規范》（JTJ023-85）溫度梯度模式。

梯度模式2：橋面板表面的最高溫度取20℃，按照我國《公路橋涵通用設計規范》（JTGD60-2004）溫度梯度模式。

梯度模式3：按照美國AASHTO規范對溫度梯度的規定建立的溫度梯度模式，這種模式與我國《公路橋涵通用設計規范》（JTG D60-2004）的溫度梯度模式差別主要是在截面厚度為200mm的底板上采用從0℃～2.5℃的線性溫度增長。

梯度模式4：按照英國BS5400規范升溫時的溫度梯度建立的模式。

梯度模式5：溫度梯度是一高為1200mm的五次拋物曲線，混凝上表面溫度取為32℃，在截面200mm厚的底板上運用0℃～1.5℃的線性溫度增長，這種梯度模式與新西蘭的規范相似。

梯度模式6：該溫度梯度模式是根據實測結果提出的，這種模式與我國鐵路規范的溫度梯度模式相近。

圖3主梁上下緣應力對比

3計算結果分析

在六種模型下最大懸臂施工階段時主梁上下緣應力對比圖如圖3，應力單位為MPa。

由圖3可見，由模型3與模型2產生的主梁上緣應力基本保持一致，而產生的下緣應力卻差別挺大，原因是模型3與模型2相比，區別在于模型3考慮了底板的升溫，而模型2未考慮。由模型3、4、5產生的下緣應力連續性比較差，其原因是這三種模型都考慮了底板升溫。

圖4主梁1/4截面應力分布

最大懸臂階段，六種溫度梯度模型引起的主梁1/4截面的應力沿梁高的分布如圖4所示。

由圖5及表1可見，不同溫度梯度模型對主梁變形也有較大影響。尤其對最大懸臂端，模型5與模型1引起的端部豎向位移相差37mm多，而實測端部豎向位移也有26mm。由梯度升溫引起的主梁水平伸長量，模型5最大，為13.84mm；模型1最小，為3.29mm。而實測值為10.25mm，與實測值最為接近的是模型6，為13.78mm?？梢?，如果設計時對梯度溫差考慮不足的話，很可能會造成梁端部下撓大于設計計算值，從而造成全橋合攏及線形控制的困難。因此，在連續剛構橋的施工過程中，很有必要針對梯度溫差影響進行同步施工控制。當采用懸臂澆筑對預應力混凝土連續剛構橋施工時，一旦主梁合攏，結構將由原來的靜定結構體系轉變成超靜定結構體系，并且將產生由于溫度變化等因素引起的次內力。通過理論和實踐證明，在大跨度預應力混凝土箱形梁橋中，特別是如連續剛構橋超靜定結構體系，溫度應力能達到甚至于超過活載應力，常常成為預應力混凝土橋梁產生裂縫的主因。因此，采用懸臂澆筑對預應力混凝土連續剛構橋施工時，應嚴格控制體系轉換的溫度，避免由此帶來主梁破壞。

表1?跨中合攏口長度縮短實測值與計算結果對比

實測值 10.25mm

模型1 3.29mm

模型2 5.22mm

模型3 5.12mm

模型4 3.64mm

模型5 13.84mm

模型6 13.78mm

圖5主梁豎向位移

4結語

通過對計算結果的對比分析，可以得出如下結論：（1）在梯度升溫時，主梁上下緣都出現壓應力，且上緣應力比下緣大；（2）不同溫度梯度模型對主梁變形有較大影響，尤其對最大懸臂端，如果設計時對梯度溫差考慮不足的話，很可能會造成梁端部下撓大于設計計算值，從而造成全橋合攏及線形控制的困難。

參考文獻

[1]?周軍生，樓莊鴻．大跨徑預應力混凝土連續剛構橋的

?現狀和發展趨勢[J]．中國公路學報，2000，113

?（11）．

[2]?小沃爾特·波多個尼，J·M·米勒爾著，萬國朝，黃邦本

?譯．預應力混凝土橋梁分段施工和設計[M]．北京：

?人民交通出版社，1986．

[3]?王解軍，李全林，盧向華．混凝土箱梁橋施工控制的

?溫度效應[J]．公路，2003，（1）．

[4]?Enrigue Mirambell， Antonio Aquado，Temperature and

?Stress Distributions in Concrete Box Girder Bridge[J]．

? Journal of Structural Engineering， 1990， 116（9）．

[5]?遲經斌，蘇國明．PC箱形連續剛構橋施工中的溫度應

?力對施工監測的影響[J]．鐵道建筑技術，1998，

?（2）．

[6]?項海帆．高等橋梁結構理論[M]．北京：人民交通出

?版社，2001．

[7]?王勖成，邵敏，有限單元基本原理和數值方法[S]．北

?京：清華大學出版社，1997．

[8]?公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范

?（JTJ023-85）[S]．北京：人民交通出版社，1985．

[9]?公路橋涵設計通用規范（JTG D60-2004）[S]．北京：

?人民交通出版社，2004．

[10]?美國AASHTO LRFD公路橋梁設計規范[S]．北京：

?人民交通出版社，1998．

[11]?BS5400-4-1990 Code of Practice for Design of Concrete

?Bridges[M]． Britain： British Standard Institute，

?1990．

[12]?CEP-FIP Model Code for Concrete Structures[M]．

?New Zealand： Thomas Telford Bookshop， 1978．

[13]?鐵?路?橋?涵?設?計?基?本?規?范（T?B?1?0?0?0?2?．?1?-?2?0?0?5）[S]．北

?京：中國鐵道出版社，2005．

作者簡介：宋香娥（1975—），女，北京第二外國語學院基建處工程師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程。