溫度荷載對大跨度連續剛構橋的影響

蔡春奎 耿波

摘要：溫度應力對預應力混凝土橋梁的危害在近30年來越來越受到重視并得到深入研究。理論分析和研究均已證明，在大跨度預應力混凝土箱形梁橋中，特別是超靜定結構體系，已被認為是預應力混凝土梁橋產生裂縫的主要原因。根據規范要求，對石柱縣某大跨度連續剛構橋進行溫度荷載分析，分析比較在不同溫度荷載作用下的內力分布情況。

關鍵詞：連續剛構；有限元分析；溫度荷載；非線性

0、前言

隨著橋梁理論、技術、施工工藝的不斷發展，橋梁結構的截面形式更多及其，跨度更大。連續剛構橋具有剛度大、穩定性好、橋下凈空大、養護費用低等特點，在跨大河峽谷的橋型選擇中極具優勢[1]。

為了了解橋梁結構的溫度效應，國內外學者通過現場試驗、模擬對比等一系列方法，對一些橋梁結構做了大量的工作。為往后的研究奠定了堅實的基礎。而本文主要通過石柱縣預應力混凝土連續剛構橋為例，根據規范要求，考慮均勻荷載作用和梯度荷載作用對大跨度橋梁的影響。

溫度荷載，現稱溫度作用，對于靜定結構來說只有溫度自應變和溫度自應力。對于超靜定結構來說存在多余約束，還會產生由多余約束引起的溫度次應變和溫度次應力。研究發現，溫度荷載在預應力混凝土橋梁結構中產生的溫度應力有時大到超過了混凝土的容許拉應力，甚至比結構所受的活荷載產生的截面應力還要大。國內外的眾多學者在研究很多橋梁的破壞事故以后也認為，日福射、大氣溫度及其他某些外界因素的日過程在橋梁結構內產生的溫度應力是造成橋梁破壞的主要原因[234]。因此，在橋梁設計和施工過程中必須重視溫度效應帶來的影響，對溫度效應進行研究顯得尤為必要。

溫度影響一般包括兩種部分：年溫差影響與局部溫差影響。所謂年溫差影響，指氣溫隨季節發生周期性變化時對結構物所引起的作用。一般假定溫度在構件內均值變化；對無水平約束的結構如簡支梁、連續梁等，年溫差只引起結構的均勻伸縮，并不導致結構內溫度次內力（活著溫度應力）；對結構的均勻伸縮收到約束時，年溫差將引起結構內溫度次內力，如拱式結構、框架結構及部分斜拉橋結構，如下圖1所示。而局部溫差影響，一般指日照溫差或者混凝土水化熱等影響。混凝土水化熱引起結構內的溫度變化，問題較為復雜，但可在施工中用溫度控制的方法予以調節。目前在各國規范中，橋梁溫度應力計算一般不包括此項影響，在此亦不討論[56]。

我國《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2004）將橋梁結構處于自然環境中所受的溫度作用分為兩種，梯度溫度作用和均勻溫度作用[7]。

溫度梯度溫度梯度是指當橋梁結構在受到日照輻射的影響之后，主梁截面溫度沿梁高變化的形式。溫度梯度模式大致可以分為兩類：線性溫度變化和非線性溫度變化兩種[8]。如下圖2所示。對于該建設項目，箱梁的溫度梯度按照《公路橋涵設計通用規范》 （JTG D60-2004）第4.3.10.3取值。正溫度梯度T1=14℃，T2=5.5℃；負溫度梯度T1=-7℃，T2=-2.75℃。

均勻溫度作用是指橋梁結構在受到日照輻射的影響之后，主梁截面溫度整體上升、整體下降的形式。根據當地相關勘察資料可得出具體數據。按照工程實例，結構體系升溫為20℃，結構體系降溫取-20℃。

以下將以石柱縣預應力混凝土連續剛構橋為例，重慶市石柱縣S302線沿溪大橋屬于三峽工程后續規劃基礎設施建設項目，位于石柱縣沿溪鎮與忠縣復興鎮交界的長江口支流沿溪河上，處于石柱墊江公路（即S302線）K90+090.00，南距石柱縣城85KM，北距第二港西沱古鎮25KM，東距湖北利川150KM，與忠縣現成相距13KM。

沿溪大橋全長270KM，設計橋型為（70+120+70）m預應力混凝土鋼構連續橋。橋梁全寬為12.5m，其中9.0m行車道，兩側各1.75m人行道。主梁采用C50混凝土，主墩才用C40混凝土。全橋總體布置圖如下圖3所示：

1、計算方法及模型

1.1 計算方法

本文主要采用Midas有限元軟件，根據我國《公路橋涵設計通用規范》對該模型的溫度荷載進行分析，主要分為四個工況，分別為整體溫降和梯度溫度共同作用、單獨梯度溫度作用、僅單獨整體溫降作用以及不考慮溫度荷載作用，比較這四個工況作用下的內力分布情況，分析溫度荷載對大跨度連續剛構橋的影響，如下表1所示。

1.2 計算模型

利用Midas進行計算。全橋離散為平面桿系單元、共120個節點，105個單元。

其中永久荷載包括混凝土結構自重、混凝土收縮與徐變、預應力等；活載考慮車道面、人群、溫度荷載等。而這里我們僅從以下四個工況來討論溫度荷載對結構內力的影響，計算模型如下圖4所示。

1.3 結果分析

本結構模型有105單元，這里我們僅考慮上部結構的內力分布情況，由于單元節點過多，考慮篇幅問題這里我們僅選取端點、1/4節點、中間、3/4節點處的內力進行比較。

從軟件Midas中我們可以看出該模型中溫度荷載對扭矩、剪力-y、彎矩-z不產生影響。同時提取軸向力、剪力-z、彎矩-y相關數據，以工況一作為基礎比較其他三種工況相對于工況一的差值百分比。如下表1.1—表1.3所示。

（1）通過以上模型試驗，對該大跨度連續剛構橋而言，結構整體升降溫對結構扭矩，Y方向剪力，Z方向彎矩均不產生影響。

（2）從該模型中可以看出，由于整體溫降沒有結構模型中產生過大的多余應力，整體溫降對整個模型的內力變化不是很大，可以控制在10%以內。

（3）通過以上模型試驗，對該大跨度連續剛構橋而言，由于規范才用線性溫度梯度的添加方式，溫度梯度對結構扭矩，Y方向剪力，Z方向彎矩均也不產生影響。

（4）從以上數據可以得出，針對于該模型，相對于整體溫降而言，溫度梯度對結構模型內力影響較大，最高可以達到30%。

（5）由于在該模型中整體溫降和線性溫度梯度都是才用簡單的線性添加方式，可以得出綜合考慮溫度梯度和結構整體升降溫對結構的影響為單獨考慮結構整體溫降對結構的影響和單獨考慮溫度梯度對結構的影響之和。

（6）相對于國內外學者通過現場試驗、模擬對比等一系列方法，本試驗僅考慮了簡單的整體溫降和線性溫度梯度對結構的影響，而從該數據中也可以看出溫度荷載對結構模型內力影響較大，為大跨度連續剛構橋的安全使用帶來了很大的安全隱患，應當給與重視。

【參考文獻】

[1] 賀小春.矮墩剛構預應力混凝土連續箱型梁橋的溫度效應研究[D]. 湖南：長沙理工大學，2013.

[2] 劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社，1991，10-120.

[3] 魏光坪.單室預應力砼箱梁溫度場及溫度應力研究.西南交大學報，1989（4）.

[4] F.凱爾比克著，劉興法等譯.太陽輻射對橋梁結構的影響[M].中國鐵道出版社，1981.

[5] 劉興法.預應力混凝土箱梁日照溫度應力與位移計算，土木工程學報，1986.

[6] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[7] 范立礎.橋梁工程[M].人民交通出版社，2012.

[8] 李春早.大跨度預應力混凝土連續剛構橋靜力分析與溫度效應研究[D]. 湖南：長沙理工大學，2012.

[9] 李帥.大跨度連續剛構橋日照溫度場及溫度效應研究[D]. 四川：西南交通大學，2013.