預應力混凝土箱型梁橋溫度效應分析

喬 陽

(河北省交通規劃設計院試驗檢測室)

1 前 言

對于混凝土工程結構來講，由于自然環境條件變化所產生的溫度作用，一般可以分為三種類型，即:日照溫度變化、驟然降溫溫度變化、年溫溫度變化。以上的幾種溫度作用，都是自然環境條件變化混凝土自身特性所造成的，是人們難以消除的。理論分析及實驗研究表明:在大跨預應力混凝土箱梁橋特別是超靜定結構體系中，溫差應力可以達到甚至超過活載產生的應力，已被認為是預應力混凝土橋梁結構產生裂縫的主要原因之一，因此有必要對這些荷載進行計算分析。橋梁工程結構由于日照、驟然降溫、年溫變化、水化熱等產生的溫度作用，橋梁工程結構由于日照、驟然降溫、年溫變化、水化熱等產生的溫度作用，其不同特點可見表1 ～表2。所以橋梁結構設計、施工監控時，必須對溫度作用進行詳細分析，本文結合某城際鐵路一座三跨57 m+100 m+57 m 連續梁橋對溫度效應進行分析。

表1 不同溫度模式對比表

2 工程背景

本文工程背景為某城際鐵路一座預應力混凝土連續梁，橋梁跨徑組合為:57 m+100 m+57 m，全長215.3 m，橋梁結構單箱單室混凝土連續梁橋。橋梁布置圖如圖1 所示。對該橋計算分析采用Madis/Civil 有限元軟件，建立空間模型模擬。全橋離散單位130 個，節點131 個。主要計算截面如圖2 所示，空間有限元模型如圖3 所示。

圖1 橋梁布置圖

圖2 主要計算截面

圖3 Midas Civil 有限元模型圖

3 溫度作用下主梁的內力和變形分析

3.1 結構整體升降溫對結構內力和變形的影響

根據設計文件，考慮整體升溫20 ℃和整體降溫15 ℃兩種情況，全橋進行空間有限元分析。圖4 ～圖6 為整體升溫和整體降溫作用下結構的內力和位移計算結果。

圖4 整體升溫和整體降溫作用下主梁位移

圖5 整體升溫和整體降溫作用下主梁上緣應力

圖6 整體升溫和整體降溫作用下主梁下緣應力

由圖4 ～圖6 可以看出，箱梁結構整體升溫20 ℃，除支點截面附近外，主梁中跨和邊跨均表現為上拱，但中跨上拱值較大，跨中上拱最大值達到2.5 mm，邊跨上拱最大值為0.2 mm;整體降溫15 ℃，除支點截面附近外，中跨和邊跨均表現為下撓，中跨跨中下撓最大值達到－2.0 mm，邊跨下撓最大值為－0.2 mm。整體升溫20 ℃和降溫15 ℃所產生的箱梁截面應力較小，上緣應力最大值為0.24 MPa(升溫20 ℃)，發生在跨中截面，下緣應力最大值為－0.39 MPa(升溫20 ℃)，發生在跨中截面;箱梁上下緣應力變化情況相反。

綜上所述，整體升降溫作用引起的結構應力、撓度均較小，對結構基本沒有太大影響;但在整體升降溫作用下，橋梁所產生的撓度施工監控也應適當考慮。

3.2 日照和寒潮不均勻溫度梯度作用下結構的內力和位移變化

該橋橫向計算考慮日照和寒潮兩種情況，日照和寒潮兩種溫度模式考慮梁體外部和內部的溫度差，梁體頂底板、腹板按相應非線性溫度梯度考慮。日照和寒潮計算模式如圖7 所示。圖8 ～圖12 為日照和寒潮作用下結構的內力和位移計算結果。

圖7 溫度橫向作用日照和寒潮計算模式

圖8 日照作用下主梁上緣應力

圖9 日照作用下主梁下緣應力

從圖8 ～圖12 可以看出，在日照作用下主梁截面左右側變化規律基本一致。在日照模式作用下，邊跨范圍內主梁右側上緣應力受拉，最大0.83 MPa，中跨范圍內主要受壓，最大壓應力－0.35 MPa，左側上緣全范圍內受壓，最大壓應力－1.95 MPa。左側上緣應力均大于右側上緣應力，最大差值1.67 MPa。對于下緣應力，左側除跨中30 m 范圍內受拉，其余受壓，最大拉應力0.61 MPa，最大壓 應 力－3.03 MPa。右側邊跨部分受拉，部分受壓，中跨基本全范圍受拉，最大拉應力發生在跨中2.44 MPa，最小壓應力在邊跨支點處，為－1.20 MPa 。左側下緣應力均大于右側下緣應力，最大差值1.83 MPa。左側上下緣應力均比右側大，與橫向溫度分布有關，左側溫度為10 ℃，右側為5 ℃，結構在左側引起了較大的壓應力。

從圖10 ～圖11 可以看出在寒潮作用下主梁左右側上下緣應力值基本一致。上緣應力全范圍受壓，最大壓應力發生在中跨跨中，為－0.63 MPa。下緣應力處橋墩左右兩側部分受壓，其余均受拉。最大拉應力3.92 MPa。寒潮溫度作用下，主要在結構下緣產生較大拉應力。左右側上下緣應力一致，和寒潮作用模式相應，梁截面溫度上下左右均對稱分布，所以主梁截面應力一致。

圖10 寒潮作用下主梁上緣應力

圖11 寒潮作用下主梁下緣應力

圖12 日照和寒潮作用下主梁位移

從圖12 可以看出，日照和寒潮模式作用下，撓度變化規律一致。邊跨上撓，中跨下撓，日照作用下橋梁結構位移大于寒潮作用。日照作用下邊跨最大位移3.40 mm，中跨最大位移6.24 mm。兩種情況下，邊跨位移最大差值為1.55 mm，中跨最大位移差值為2.11 mm。

4 小 結

(1)整體升降溫作用下結構產生的應力和撓度較小，對結構影響較小;

(2)在日照和寒潮作用下，日照作用下產生較大的撓度6.24 mm，在設計和施工監控時應注意考慮，保證結構標高平順，符合設計線形;

(3)在考慮主梁截面日照和寒潮不均勻溫度模式時，日照側，箱梁上下緣主要受壓，應力值較小，對結構影響不大;在寒潮對稱溫度作用下，箱梁下緣產生較大拉應力3.92 MPa，在設計時應全面考慮，避免結構抗拉強度不夠而早期開裂，特別是溫差進一步增大，則應慎重考慮。

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