大跨預應力混凝土連續箱梁橋溫度效應研究

曾利強

(惠州市道路橋梁勘察設計院，廣東　惠州　516001)

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大跨預應力混凝土連續箱梁橋溫度效應研究

曾利強

(惠州市道路橋梁勘察設計院，廣東惠州516001)

曾利強(1983—)，工程師，研究方向：路橋設計。

摘要：文章以廣東某大跨預應力混凝土連續箱梁橋為研究對象，采用MIDAS/CIVIL軟件建立有限元模型，綜合考慮整體升溫和降溫的影響，分析系統溫度對橋梁內力和變形的影 響，并結合廣東當地溫度氣候條件，建立適合于建橋所在地區特點的溫度梯度模式。通過將分析結果與國內外設計規范中規定的溫度梯度模式分析結果進行比較，驗證了所建立的溫度梯度模式計算結果的可靠性，為相似大跨預應力混凝土連續箱梁橋設計提供建議及參考。

關鍵詞：連續箱梁橋；系統溫度；溫度梯度模式；有限元模型；設計規范

0引言

隨著我國交通基礎設施建設的迅速發展，具有伸縮縫少、行車舒適性好等優點的大跨預應力混凝土箱梁橋得到廣泛應用。但隨著大跨預應力混凝土箱梁橋的大量修建，暴露出預應力混凝土箱形結構開裂等突出的問題[1]。究其原因，是由于大跨預應力混凝土箱梁橋在受到溫度作用下，產生較大溫度應力，進而引起混凝土開裂，經多年理論研究和工程實踐檢驗表明，溫度效應是大跨預應力混凝土箱梁橋產生裂縫的重要原因[2]。近年來，國內外學者對大跨預應力混凝土箱梁橋的溫度效應進行了研究，Priestley M.J.[3]等研究了橋梁截面溫度分布的規律，并提出計算方法，Saetta A.和Scotta R.[4]等研究了在變化溫度場作用下，混凝土結構的截面應力和應變變化規律，劉興法[5]通過大量現場試驗觀測資料的分析和理論研究，建立了預應力混凝土箱梁的控制溫度荷載及相應的溫差應力計算方法。李宏江[6]等根據廣東某混凝土箱梁日照作用下的溫度觀測結果，研究出箱梁沿斷面高度方向的溫度梯度分布規律，提出適合廣東地區溫度梯度模式。

本文以某大跨預應力混凝土箱梁橋作為工程背景，綜合考慮整體升溫和降溫，分析系統溫度對橋梁內力和變形的影響，然后結合廣東當地溫度氣候，借鑒以往研究成果，建立適合于建橋所在地區特點的溫度梯度模式，并將分析結果與國內外設計規范中規定的溫度梯度模式分析結果進行比較，驗證了本文建立的溫度梯度模式計算結果的可靠性，為相似大跨預應力混凝土連續箱梁橋設計提供合理的建議及參考。

1工程概況

橋梁上部構造箱梁跨徑組合為30 m+2×40 m+30 m，單幅橋上部構造采用單箱雙室變截面連續箱梁，跨中和邊支點處箱梁截面高度采用1.6 m，中墩支點處箱梁截面高度采用2.5 m，頂板厚25 cm，底板厚22～37.3 cm，跨中腹板厚45 cm，支點處腹板厚為60 cm，箱梁的懸臂板寬2.5 m，懸臂板厚15～45 cm，箱梁混凝土采用C50，主橋總體布置見圖1。

圖1　主橋總體布置圖(m)

2系統溫度效應分析

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60-2004)規定[7]，橋梁的系統溫度效應從橋梁結構受到約束時的溫度開始，考慮最高和最低的溫度差異計算溫度效應，并對不同地區在缺乏實測資料情況下給出了最高和最低溫度標準值。但考慮到成橋時間難以確定，在設計階段對成橋時間的氣溫更是難以預測，往往依靠設計人員根據自己的經驗進行取值，這樣計算得到的結果往往跟實際情況有明顯偏差。為避免溫度取值問題干擾，本文利用有限元軟件分別計算系統整體升溫1 ℃和整體降溫1 ℃作用下箱梁結構溫度應力及變形，并將分析結果進行比較，各主要控制截面的應力計算結果見表1，系統整體升降溫作用下主梁的豎向位移計算結果見圖2。

表1　各主要控制截面的應力計算結果表

由表1可知，系統整體溫度變化對中跨影響最大，其它位置影響較小。對于系統整體升降溫，全橋的溫度應力具有相反的分布規律，在系統整體升溫1 ℃的作用下，各跨跨中截面上緣均出現拉應力，各墩墩頂截面下緣均出現拉應力；而在系統整體降溫1 ℃的作用下，各跨跨中截面下緣均出現拉應力，各墩墩頂截面上緣均出現拉應力。整體降溫作用下，整體降溫與自重引起的應力分布相同，二者若疊加作用對結構受力不利，因此，橋梁成橋時間宜安排在當天氣溫較低時，這樣隨著溫度逐漸升高形成整體升溫效應，有利于減小整體溫度變化對橋梁受力的不利影響。

圖2　系統整體升降溫作用下主梁豎向位移曲線圖

由圖2可知，系統整體溫度變化對中跨影響最大，其它位置影響較小。對于系統整體升降溫，全橋的溫度位移具有相反的分布規律，在系統整體升溫1 ℃的作用下，橋梁中跨上拱，而在系統整體降溫1 ℃的作用下，橋梁中跨下撓。整體降溫作用下，整體降溫與自重引起的位移分布相同，二者若疊加作用對結構變形控制不利，因此，橋梁成橋時間宜安排在當天氣溫較低時，這樣隨著溫度逐漸升高形成整體升溫效應，有利于減小整體溫度變化對橋梁變形的不利影響。

3溫度梯度效應

我國地域幅員遼闊，各地氣候溫度差異較大，現行的公路橋涵設計規范并沒有考慮全國范圍內的氣候差異，而采用同一溫度模式進行溫度效應分析，而這樣得到分析結果明顯不盡合理。本文結合建橋地區當地溫度氣候，借鑒李宏江等提出的適合廣東地區溫度梯度模式建立適合于建橋所在地區特點的推薦溫度梯度模式，并為驗證該模式計算結果的可靠性，分別建立與推薦溫度梯度模式及國內外設計規范規定的溫度梯度模式相對應的四種工況：(1)工況一為推薦溫度梯度模式；(2)工況二為《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)規定的豎向溫度梯度模式；(3)工況三為英國橋規BS-5400規定的溫度梯度模式；(4)工況四為日本道路橋梁設計標準(1978)規定的溫度梯度模式。利用有限元軟件分別計算四種工況作用下箱梁結構溫度應力及變形，并將分析結果進行比較。各工況對應溫度梯度模式：

(1)工況一：推薦溫度梯度模式

李宏江等通過對箱梁混凝土溫度實測數據的分析發現，實測曲線與我國鐵路橋新規范的計算模式非常類似，在距頂板上緣0～2/3 H范圍內，溫度梯度分布曲線呈現明顯非線性，自頂板的最大值開始迅速減小，直至腹板的中下部，溫度數值衰減至最低，溫差接近為0 ℃，并據此規律擬合出適合廣東地區的溫度梯度分布曲線如式(1)所示：

Ty=23·e-5.3y

(1)

而通過對底板實測數據分析整理發現，自底板上緣附近開始，溫度逐漸升高，溫差逐漸增大，底板最大溫差接近3 ℃。故適合本橋所在地區箱梁的整體溫度梯度分布曲線如圖3所示：

圖3　推薦溫度梯度模式曲線圖

(2)工況二：《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)規定的豎向溫度梯度模式

圖4　《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)溫度梯度模式曲線圖

《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)中規定梯度溫度模式可以通過查表2確定。梯度溫度模式T1取25 ℃，T2取6.7 ℃，見圖4。

表2　豎向日照正溫差計算的溫度基數值表

(3)工況三：英國橋規BS-5400[8]溫度梯度模式

英國橋規BS-5400是迄今為止各國路橋規范中對橋梁結構溫度效應的規定最詳細、最全面的規定。根據英國橋規BS-5400規定：有混凝土橋面板的混凝土橋梁的溫差值，當梁高>1.5 m時，無鋪面的正溫差T1取13.5 ℃，T2取3 ℃，T3取2.5 ℃，見圖5。

圖5　英國橋規BS-5400溫度梯度模式曲線圖

(4)工況四：日本道路橋梁設計標準(1978)

日本道路橋梁設計標準(1978)規定：應根據橋面板和其它部分的溫度差計算截面內的應力，溫差以5 ℃為標準，溫度梯度模式見圖6。

圖6　日本道路橋梁設計標準(1978)溫度梯度模式曲線圖

分別考慮各工況作用，計算橋梁運營階段梯度溫度模式下的箱梁結構各主要控制截面的應力及豎向位移，各主要控制截面的應力計算結果見表3，主梁的豎向位移結果見下頁圖7。

表3　各主要控制截面的應力計算結果表

由表3可知，不同的梯度溫度模式溫度應力計算結果分布規律基本一致，但數值有一定差別，頂板一般產生壓應力，底板一般產生拉應力，最大壓應力出現在墩頂截面頂板，分別為-6.59 MPa、-7.75 MPa、-4.11 MPa、-1.32 MPa；最大拉應力出現在跨中底板，分別為1.4 MPa、1.47 MPa、0.16 MPa、0.74 MPa。從四種不同的梯度溫度模式來看，采用本文建立的推薦溫度梯度模式計算的結構溫度應力略小于《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)中規定梯度溫度模式計算的結構溫度應力，且大于英國橋規BS-5400和日本道路橋梁設計標準(1978)規定的梯度溫度模式計算的結構溫度應力。

圖7　主梁豎向位移結果曲線圖

由圖7可知，不同的梯度溫度模式溫度位移計算結果分布規律基本一致，四種工況均是在邊跨跨中截面的豎向向下位移最大，最大位移分別為1.61 mm、1.25 mm、0.65 mm、0.58 mm；支點截面豎向位移最小。從四種不同的梯度溫度模式來看，采用本文建立的推薦溫度梯度模式計算的結構位移略大于《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)、且大于英國橋規BS-5400和日本道路橋梁設計標準(1978)規定的梯度溫度模式計算的結構位移。

因此，在進行橋梁的溫度效應分析時，采用本文推薦的溫度梯度模式是可靠的，其結果與《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)規定的溫度模式基本一致，且大于英國橋規BS-5400和日本道路橋梁設計標準(1978)規定的梯度溫度模式。

4結語

(1)系統整體溫度變化對中跨影響最大，其它位置影響較小，對于系統整體升降溫，全橋的溫度應力和位移具有相反的分布規律。在整體降溫作用下，整體降溫與自重引起的應力和位移分布相同，二者若疊加作用對結構受力和變形控制不利，因此，橋梁成橋時間宜安排在當天氣溫較低時，這樣隨著溫度逐漸升高形成整體升溫效應，有利于減小整體溫度變化對橋梁受力和變形的不利影響。

(2)不同的梯度溫度模式下，溫度應力、位移計算結果分布規律基本一致，但數值有一定差距。從四種不同的梯度溫度模式來看，采用本文建立的推薦溫度梯度模式計算的結構溫度應力略小于《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)，而結構位移略大于《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)，二者結果相差不大，基本一致，且大于英國橋規BS-5400和日本道路橋梁設計標準(1978)規定的梯度溫度模式計算的結構溫度應力和位移，因此采用本文推薦的溫度梯度模式是可靠的。

參考文獻

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[4]Saetta A.，Scotta R.，Vitaliani R.Stress analysis of concrete structures subjected to variable thermalloads[J].Journal of Structural Engineering，1993，121(3)：446-457.

[5]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.

[6]李宏江，李湛，等.廣東虎門輔航道連續剛構橋混凝土箱梁的溫度梯度研究[J].公路交通科技，2005，22(5)：67-70.

[7]JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[8]BS5400：Steel，Concret and Composite Bridge，Part2：1978-Specification for LoadsBritish StandardsInstitude，1978：1-71.

Research on Temperature Effect of Large-span Continuous Prestressed Concrete Box-girder Bridges

ZENG Li-qiang

(Huizhou Roads and Bridges Survey and Design Institute，Huizhou，Guangdong，516001)

Abstract：With a large-span prestressed concrete continuous box girder bridge in Guangdong as the research object，this article established the finite element model by using MIDAS/CIVIL software，and then by considering the impact of overall warming and cooling，it analyzed the impact of system temper-ature on bridge internal force and deformation，and then combining the local temperature and climatic conditions in Guangdong，it established the temperature gradient mode suitable for the characteristics of bridge construction location.By comparing the analysis results to temperature gradient mode analysis results stipulated in domestic and foreign design specifications，it verified the reliability of calculation results by established temperature gradient mode，thereby providing the advice and reference for the design of similar large-span prestressed concrete continuous box girder bridges.

Keywords：Continuous box girder bridge；System temperature；Temperature gradient mode；Finite element model；Design specifications

收稿日期：2016-01-27

文章編號：1673-4874(2016)02-0046-05

中圖分類號：U448.21+3

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.011

作者簡介