鋼箱梁橋溫度梯度模式研究與應(yīng)用

董　浩，于麗波，朱　季

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京　211156 ；2.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京　211156)

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鋼箱梁橋溫度梯度模式研究與應(yīng)用

董浩1，于麗波2，朱季1

(1.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京211156 ；2.南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院，江蘇 南京211156)

摘要：文章針對運(yùn)營階段鋼箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)擬合溫度梯度公式的方法，以此彌補(bǔ)僅按照規(guī)范計(jì)算溫度梯度效應(yīng)的不足，結(jié)果證明，此方法獲得的溫度梯度模式，在計(jì)算運(yùn)營階段剛箱梁的溫度梯度作用時更為精準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；溫度作用；規(guī)范；溫度梯度

1各國規(guī)范對溫度梯度作用的規(guī)定

在計(jì)算溫度梯度作用時一般首先參考規(guī)范對溫度梯度的相關(guān)規(guī)定,目前國內(nèi)常用的關(guān)于溫度梯度規(guī)范主要包括中國公路規(guī)范、中國鐵路規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范以及英國規(guī)范(BS5400)等。

美國AASHTO規(guī)范與中國公路規(guī)范對溫度梯度的規(guī)定基本相同,如圖1所示。

(1) 當(dāng)梁高H大于400 mm的混凝土上部結(jié)構(gòu)時,A=300 mm。

(2) 當(dāng)梁高H小于400 mm的混凝土上部結(jié)構(gòu)時,A=H-300 mm。

(3) 對于帶有混凝土橋面板的鋼結(jié)構(gòu),A=300 mm。

圖1　兩國規(guī)范對溫度梯度的規(guī)定

美國AASHTO規(guī)范考慮了太陽輻射區(qū)域的分布情況,因此,在對溫度變化模式參數(shù)取值的規(guī)定比中國更為詳盡。中國公路規(guī)范選擇美國AASHTO規(guī)范中的2區(qū)位的參數(shù)取值,作為豎向日照正溫差計(jì)算的溫度基數(shù)[1-2]。具體參數(shù)取值見表1、表2所列。

表1　美國AASHTO規(guī)范溫度變化模式參數(shù)取值　　　℃

表2　中國公路規(guī)范溫度變化模式參數(shù)取值　　　　℃

如圖2所示,英國規(guī)范(BS5400)對溫度梯度作用的規(guī)定比上述2種規(guī)范更為詳細(xì),特別是對鋼箱梁的溫度荷載作用也做了相應(yīng)的規(guī)定。

圖2　英國規(guī)范(BS5400)對溫度梯度的規(guī)定

英國規(guī)范(BS5400)除了在正負(fù)溫差下的溫度梯度曲線,也給出了不同鋪裝層厚度的結(jié)構(gòu)溫度參數(shù)取值[3]。中國公路規(guī)范溫度變化參數(shù)取值見表3。

表3　中國公路規(guī)范溫度變化模式參數(shù)取值　℃

根據(jù)文獻(xiàn)[4]對溫度梯度的規(guī)定,對于箱型梁結(jié)構(gòu)沿梁截面的高度與寬度方向的溫差分布,按照下式計(jì)算為

(1)

箱梁沿板厚方向的溫差分布按照下式計(jì)算為

(2)

其中,Ty為目標(biāo)點(diǎn)處的溫度;T0為箱梁沿截面梁高或梁寬度方向的溫差;y為目標(biāo)點(diǎn)到箱梁最外表面的距離;α為溫度參數(shù)。

2溫度梯度實(shí)際應(yīng)用優(yōu)劣性對比

(1) 美國AASHTO規(guī)范根據(jù)其國內(nèi)不同地區(qū)太陽輻射程度的差異劃分不同作用區(qū)域,不同區(qū)域使用不同的溫度變化模式參數(shù)。

(2) 中國公路橋涵規(guī)范借鑒了美國規(guī)范,但是沒有進(jìn)行區(qū)域劃分,使用時有局限性。

(3) 美國AASHTO規(guī)范與中國公路橋涵規(guī)范對溫度梯度變化趨勢采用雙折線的形式,對帶有鋪裝層橋梁的豎向溫度梯度予以規(guī)定,但是未給出無鋪裝層鋼結(jié)構(gòu)的溫度梯度模式。

(4) 英國規(guī)范(BS5400)對溫度梯度作用的規(guī)定更為詳細(xì),給出了正、負(fù)2種溫差下的溫度梯度參數(shù),正溫差變化曲線更為復(fù)雜,而且還對無鋪裝層鋼箱梁溫度梯度有詳盡的規(guī)定。

(5) 中國鐵路橋規(guī)對溫度梯度采用公式的方式予以規(guī)定,計(jì)算時可以直接使用,較為方便。

一般情況下,國內(nèi)公路與市政橋梁在計(jì)算溫度梯度的作用時，應(yīng)根據(jù)中國公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算,但是,鋼箱梁橋在施工過程中,鋼箱梁實(shí)際上處于無鋪裝層狀態(tài)[5-8],有必要參考英國規(guī)范計(jì)算施工過程中的溫度梯度作用。中國公路規(guī)范溫度梯度的規(guī)定存在不完善之處,主要集中在溫度梯度參數(shù)取值的單一和溫度曲線簡單兩方面。國內(nèi)南北氣候差異較大,上述的溫度曲線與參數(shù)取值無法包括國內(nèi)大部分橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際的溫度梯度分布狀況,因此,在使用上具有較大局限性[9-11]。

綜上所述,國內(nèi)鋼箱梁橋僅按照中國公路規(guī)范計(jì)算溫度梯度作用是偏保守與不安全的,還需要參考其他規(guī)范計(jì)算。

3鋼箱梁運(yùn)營階段溫度梯度模式分析

除了在設(shè)計(jì)、施工階段考慮溫度梯度對鋼箱梁結(jié)構(gòu)的影響,鋼箱梁橋成橋后運(yùn)營階段的溫度梯度作用也不容忽視[12-13]。

對處于運(yùn)營階段的鋼箱梁,研究其溫度梯度作用影響時,首先使用我國規(guī)范對溫度梯度的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算,建議再采用英國規(guī)范(BS5400)的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算,因?yàn)橛?guī)范提供的溫度梯度變化曲線更為復(fù)雜,也更為接近橋梁在實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)下的溫度分布情況。但是無論使用哪種規(guī)范計(jì)算溫度梯度效應(yīng)都有所欠缺,因?yàn)樘幱诓煌貐^(qū)的鋼箱梁結(jié)構(gòu),隨著當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?其溫度梯度也具備特有的變化特點(diǎn),規(guī)范提供的溫度梯度模式是無法完全包括的。

為研究某鋼箱梁橋典型截面在某時間段內(nèi)的溫度梯度模式,首先在箱梁截面沿梁高和梁寬2個方向上布置一定數(shù)量的溫度傳感器,然后參考當(dāng)?shù)赝晖跉鉁刈兓闆r,并結(jié)合實(shí)時天氣預(yù)報(bào)信息,選擇天氣變化較為穩(wěn)定的日期進(jìn)行48 h甚至更長時間的持續(xù)性溫度數(shù)據(jù)收集工作,在收集大量的溫度分布數(shù)據(jù)后,根據(jù)(1)式,對實(shí)測鋼箱梁截面上溫度變化情況進(jìn)行實(shí)際溫度梯度公式的擬合,并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修正,獲得在該時間段內(nèi)的修正溫度梯度公式為

(3)

其中,T0為溫度基數(shù),取頂?shù)装鍦囟炔钪?T′為底板實(shí)測溫度值;y為目標(biāo)點(diǎn)到箱梁頂板的距離。

(3) 式在使用時,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的溫度曲線進(jìn)行擬合計(jì)算獲得溫度參數(shù)α。

理論上,截面布置的溫度傳感器越多,對截面上的溫度變化情況了解越精準(zhǔn),但實(shí)際操作過程中,在截面滿布傳感器是不現(xiàn)實(shí)的。因此,擬合公式的主要特點(diǎn)是根據(jù)梁截面上的少量測點(diǎn)提供的溫度數(shù)據(jù),獲得全截面的溫度梯度變化情況,可用于研究某一時段的溫度梯度變化情況,也可以研究整個施工階段或運(yùn)營階段的溫度梯度變化規(guī)律。

一般認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)在夏季(冬季)處于極端高(低)溫下,而春、秋兩季溫度較為穩(wěn)定,因此,可以通過收集夏、冬兩季箱梁截面上溫度數(shù)據(jù),對該時間段內(nèi)的溫度梯度公式進(jìn)行擬合,獲得的擬合公式應(yīng)包括最不利正溫差溫度梯度與最不利負(fù)溫差溫度梯度公式[14-15],這2種擬合公式基本能包括全年的溫度梯度變化情況,可用此公式計(jì)算結(jié)構(gòu)全年最不利溫度梯度下的內(nèi)力與變形。

4結(jié)束語

溫度梯度作用對鋼箱梁橋的作用顯著,不僅體現(xiàn)在施工階段,運(yùn)營期的溫度梯度作用也對其有較大影響。無論是施工階段還是運(yùn)營階段,單純地使用規(guī)范提供的溫度梯度模式計(jì)算其作用效應(yīng)是不夠的,需要結(jié)合規(guī)范與現(xiàn)場實(shí)測的溫度數(shù)據(jù)研究溫度梯度的變化狀況。

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收稿日期：2016-03-10；修改日期：2016-03-25

作者簡介：董浩(1983-)，男，江蘇徐州人，碩士，江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司工程師．

中圖分類號：U445.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0152-03