混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋溫度作用有限元分析

宋香娥(北京第二外國(guó)語(yǔ)學(xué)院基建處，北京100024)

對(duì)于大跨度連續(xù)梁橋而言，常年緩慢變化的年溫差，一般導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生縱向位移，可通過(guò)橋面伸縮縫、支座位移等構(gòu)造措施予以消除；而對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋而言，由于梁的縱向位移受到了與其固結(jié)的主墩的約束而使得主墩墩身會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩。溫度變化對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形影響很大，這種影響隨溫度梯度的變化而變化。線(xiàn)型控制和應(yīng)力控制是箱形截面梁懸臂施工控制的兩個(gè)最重要的方面，而溫度又是影響這兩方面的重要因素[1-3]。

1 混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋溫差應(yīng)力有限元分析[4-5]

1.1 連續(xù)剛構(gòu)橋工程實(shí)例

水磨灣特大橋位于少林寺至洛陽(yáng)高速公路K21+910 m處。該橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組成為65+110+65＝240m，空心薄壁式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室斷面，頂板寬度為12.75 m，底板寬度為6.5 m，箱梁根部梁高6.0 m，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(xiàn)變化。

1.2 計(jì)算物理模型

水磨灣特大橋的靜力計(jì)算采用空間有限元分析程序（Midas/Civil），其計(jì)算物理模型如圖1所示。全橋共劃分為78個(gè)單元，其中主梁劃分為66個(gè)單元，主墩劃分為12個(gè)單元。

圖1 有限元計(jì)算物理模型

2 溫度梯度模式

為了分析不同溫度梯度模式作用下梁內(nèi)溫度應(yīng)力和應(yīng)變的變化情況，本文選擇了六種不同的溫度梯度模式，來(lái)計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋在施工過(guò)程中，最大懸臂階段不同施工階段時(shí)溫度應(yīng)力及應(yīng)變的變化情況。

1）梯度模式1：橋面板均勻升溫，溫差為5℃，箱梁腹板和底板無(wú)溫差，即《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ023-85)中規(guī)定的溫度梯度模式[6]。

圖2 主梁上下緣應(yīng)力對(duì)比

2）梯度模式2：橋面板表面的最高溫度取20℃，該溫度梯度模式與我國(guó)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60-2004)中對(duì)溫度梯度的規(guī)定一致[7]。

3）梯度模式3：按照美國(guó)AASHTO規(guī)范對(duì)溫度梯度的規(guī)定建立的溫度梯度模式[8]，該模式與我國(guó)《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D60-2004)中對(duì)溫度梯度的規(guī)定的差別在于，在截面厚度為200mm的底板上采用從0℃到2.5℃的線(xiàn)性溫度增長(zhǎng)。

4）梯度模式4：按照英國(guó)BS5400規(guī)范升溫時(shí)的溫度梯度建立的模式[9]。

5）梯度模式5：溫度梯度是一條高1200mm的五次拋物線(xiàn)，混凝土表面的溫度取32℃。在截面厚度為200mm的底板上采用從0℃到1.5℃的線(xiàn)性溫度增長(zhǎng)。梯度模式與新西蘭規(guī)范相近[10]。

6）梯度模式6：根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果提出的溫度梯度模式，該模式與我國(guó)鐵路規(guī)范的溫度梯度模式相似[11]。

3 計(jì)算結(jié)果分析

由圖2可見(jiàn)，主梁下緣應(yīng)力出現(xiàn)兩種情況，一種是幾乎所有截面均受拉，如模型1、模型2、模型6；另一種是部分截面受壓部分截面受拉，如模型3、模型4、模型5。其原因是模型3、4、5均考慮了底板升溫，從而減小了下緣的拉應(yīng)力，使得部分截面的下緣出現(xiàn)了壓應(yīng)力，這對(duì)于混凝土抗裂設(shè)計(jì)是偏于不安全的。模型5與模型6主梁下緣出現(xiàn)的拉應(yīng)力較其他模型的大，其原因是這兩個(gè)模型的頂?shù)装逯g的溫差較大，且升溫面積較大。由圖3可見(jiàn)，梯度升溫引起的主梁最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在模型6的中跨跨中截面，為4.54 MPa。這種較大的主拉應(yīng)力通常是引起混凝土箱梁開(kāi)裂的主要原因，因此，為了有效地防止混凝土箱梁裂縫的出現(xiàn)，減小溫度影響是十分必要的。

以上計(jì)算結(jié)果顯示，按照我國(guó)公路橋梁規(guī)范（JTJ023-85）建立的溫度梯度模型1所引起的連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)力及位移值與實(shí)測(cè)值以及其他模型結(jié)果相比均偏小，這就預(yù)示著按照我國(guó)公路橋梁規(guī)范（JTJ023-85）設(shè)計(jì)施工的混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)日照溫差的影響考慮不足可能造成運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力過(guò)大而引起混凝土箱梁開(kāi)裂或跨中下?lián)线^(guò)大的問(wèn)題?，F(xiàn)實(shí)運(yùn)營(yíng)中的某些連續(xù)剛構(gòu)橋確實(shí)出現(xiàn)了箱梁開(kāi)裂和跨中下?lián)线^(guò)大的問(wèn)題，所以在分析這類(lèi)問(wèn)題時(shí)可將溫度的影響作為一個(gè)方面的因素來(lái)考慮。

圖3 主梁上下緣應(yīng)力對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論：

1）不同的日照溫差模式對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響很大，溫度荷載在主梁下緣引起拉應(yīng)力，它與混凝土張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的二次應(yīng)力相組合，將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而降低主梁截面的抗裂性能，在設(shè)計(jì)計(jì)算及施工控制時(shí)應(yīng)予以高度重視。

2）按照我國(guó)公路JTJ023-85規(guī)范建立的溫度梯度模型所引起的連續(xù)剛構(gòu)橋的應(yīng)力及位移值與實(shí)測(cè)值相比均偏小，這就預(yù)示著按照該規(guī)范設(shè)計(jì)施工的混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，由于設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)日照溫差的影響考慮不足可能造成施工及運(yùn)營(yíng)時(shí)出現(xiàn)實(shí)際應(yīng)力過(guò)大而引起混凝土箱梁開(kāi)裂或跨中下?lián)线^(guò)大的問(wèn)題。

[1]周劍萍.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 [J].公路交通技術(shù)，2014（1）:1-8

[2]廖萬(wàn)輝，司俊，張?zhí)煊? 關(guān)于橋梁工程中連續(xù)剛構(gòu)橋施工溫度問(wèn)題的探討[J]. 黑龍江交通科技，2014（2）:86-87

[3]王海豐.大跨連續(xù)剛構(gòu)橋溫度梯度應(yīng)力分析[J].北方交通，2014（4）:46-47

[4]項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社，2001

[5]王勖成，邵敏，有限單元基本原理和數(shù)值方法[M].北京:清華大學(xué)出版社，1997

[6]公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ023-85）[M].北京:人民交通出版社，1985.

[7]公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTG D60-2004[M].北京:人民交通出版社，2004.

[8]美國(guó)AASHTO LRFD公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京:人民交通出版社，1998.

[9]BS5400-4-1990 Code of Practice for Design of Concrete Bridges[M]. Britain: British Standard Institute, 1990

[10]CEP-FIP Model Code for Concrete Structures[M].New Zealand: Thomas Telford Bookshop, 1978.

[11]鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范TB10002 [M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2005.