邊界約束對鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系溫度梯度效應(yīng)的影響研究*

王達(dá)，王海柱，付井平

（1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410004）

邊界約束對鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系溫度梯度效應(yīng)的影響研究*

王達(dá)1，2，王海柱1，2，付井平1，2

（1.長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖南長沙 410004；2.橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410004）

鋼-混組合橋面系的邊界約束條件有一定的特殊性，有別于其他組合結(jié)構(gòu)。為確定模型計(jì)算時(shí)邊界約束對鋼-混組合橋面系的影響，文中以某鋼-混組合橋面系為研究對象，運(yùn)用ANSYS有限元程序建立精細(xì)化有限元計(jì)算模型，分析連續(xù)結(jié)構(gòu)和簡支結(jié)構(gòu)兩種邊界約束條件對鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系溫度應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，中國JTG D62-2004規(guī)范中的豎向溫度梯度模型及參數(shù)取值與美國AASHTO規(guī)范有明顯差異，在溫度效應(yīng)計(jì)算時(shí)應(yīng)對中國規(guī)范中取值按地區(qū)差異進(jìn)行調(diào)整；在相同溫度梯度條件下，采用連續(xù)結(jié)構(gòu)約束的結(jié)構(gòu)對應(yīng)的溫度應(yīng)力更為均勻。

橋梁；鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系；約束條件；溫度梯度；溫度應(yīng)力

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系因其自重輕、剛度大和易于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)被廣泛運(yùn)用于峽谷、山區(qū)等地區(qū)大跨度橋梁中，因所在地區(qū)地理?xiàng)l件復(fù)雜、溫差變化較大，其溫度梯度分布較為復(fù)雜。鋼-混組合橋面系在自然環(huán)境中必定受到日照溫差的影響，當(dāng)溫差較大時(shí)，隨之產(chǎn)生的溫度應(yīng)力分布較為復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致鋼-混結(jié)合部出現(xiàn)開裂等情況，其危害不容忽視。

由于中國在溫度梯度方面的研究較晚，在修訂規(guī)范時(shí)參考美國AASHTO規(guī)范《Load and Resistance Factor Design，Bridge Design Specifications》，但在溫度梯度模型及參數(shù)取值方面兩者存在一定差異。雖然中國的國土面積和緯度與美國較為接近，但氣候變化與美國有較大差異，如西藏地區(qū)與沿海地區(qū)相比，日照強(qiáng)度、溫差變化等都有較大差異。而JTG D62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中全國都是采用一樣的溫度梯度基數(shù)，很難反映日照溫差的地域差別。同時(shí)，在建立模型時(shí)采用何種約束條件對溫度梯度效應(yīng)也有一定影響。因此，在鋼-混組合結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用何種規(guī)范及何種約束條件使計(jì)算結(jié)果更為合理，有待進(jìn)一步研究。該文采用ANSYS有限元軟件對具體算例分別按照中、美規(guī)范進(jìn)行溫度效應(yīng)分析，同時(shí)比較不同約束條件對溫度效應(yīng)的影響，使對鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系溫度梯度效應(yīng)的求解更加精確。

1 中、美規(guī)范溫度梯度取值

1.1中國規(guī)范取值

根據(jù)JTG D62-2004，取圖1所示梯度溫度模式，其相關(guān)溫度基數(shù)見表1（正溫度梯度，負(fù)溫度梯度為正溫度梯度的-0.5倍）。

圖1　JTG D62-2004中的豎向梯度溫度（單位：mm）

砼結(jié)構(gòu)和帶砼橋面板的鋼結(jié)構(gòu)的豎向負(fù)溫差為正溫差的-0.5倍。對于砼結(jié)構(gòu)，當(dāng)梁高H＜400mm時(shí)，A=H-100；當(dāng)梁高H≥400mm時(shí)，A為300mm。對于帶砼橋面板的鋼結(jié)構(gòu)，A為300mm。

表1　JTG D62-2004中的豎向溫度基數(shù)℃

1.2美國規(guī)范取值

美國AASHTO規(guī)范中沒有區(qū)分不同材料類型橋梁梯度溫差模式的不同，只是統(tǒng)一按照圖2所示模型進(jìn)行取值，根據(jù)美國不同的地理位置將全國分為4個(gè)區(qū)域，規(guī)定每個(gè)區(qū)域的溫度基數(shù)。在計(jì)算負(fù)溫差時(shí)，若橋面為素砼，則溫度基數(shù)的取值在表2相應(yīng)區(qū)域正溫差基數(shù)上乘以-0.3；若橋面為瀝青砼，則溫度基數(shù)的取值在表2相應(yīng)區(qū)域正溫差基數(shù)上乘以-0.2。

表2　美國AASHTO規(guī)范中的溫度基數(shù)℃

2 中、美規(guī)范溫度梯度效應(yīng)算例分析

2.1算例簡介

某大跨度懸索橋縱梁為工字形截面，橋面采用瀝青砼結(jié)構(gòu)。為了方便實(shí)驗(yàn)室建立實(shí)體模型，計(jì)算模型按1：4的比例建立。模型分為3個(gè)節(jié)間，每個(gè)節(jié)間1.6 m，全長4.8 m。砼板寬1.58 m、厚6 cm，工字鋼腹板厚5mm，翼板厚6mm，腹板高16.5 cm，上翼板寬95mm，下翼板寬75mm。砼橋面一次現(xiàn)澆而成，通過剪力鍵將砼橋面系與工字鋼連成一個(gè)整體，達(dá)到共同受力的狀態(tài)。

采用ANSYS有限元軟件對該算例分別按照中、美規(guī)范中的溫度模式進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算過程中剔除結(jié)構(gòu)自重效應(yīng)的影響。建模時(shí)，砼采用Solid69單元、工字鋼采用Shell157單元模擬。整個(gè)模型共分為70 131個(gè)節(jié)點(diǎn)、54 720個(gè)單元（如圖3所示）。

圖3　計(jì)算模型

2.2中國規(guī)范計(jì)算結(jié)果分析

參考圖1、表1所示豎向溫度梯度模型及參數(shù)定義，分簡支結(jié)構(gòu)和三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)兩種約束條件。正溫差時(shí)T1取16.4°C，T2取5.98°C，鋼梁部分的溫度為4.76°C；負(fù)溫差時(shí)對應(yīng)參數(shù)取值為正溫差的-0.5倍。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5和表3所示。

圖4　JTG D62-2004升溫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：Pa）

圖5　JTG D62-2004降溫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：Pa）

從表3可以看出：1）簡支結(jié)構(gòu)約束條件下，正溫差對應(yīng)的極值應(yīng)力在工字鋼處，最大拉、壓應(yīng)力分別為15.2和17.00 MPa；砼板的最大拉、壓應(yīng)力分別為2.16和2.50 MPa，拉、壓應(yīng)力基本處于C40砼的設(shè)計(jì)強(qiáng)度范圍內(nèi)。負(fù)溫差對應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)力發(fā)生在工字梁之上，分別為8.51和7.62 MPa；砼的拉、壓應(yīng)力極值分別為1.25和1.08 MPa。2）連續(xù)結(jié)構(gòu)約束條件下，正溫差對應(yīng)的極值應(yīng)力在工字鋼處，最大拉、壓應(yīng)力分別為12.8和4.25 MPa；砼板的最大拉、壓應(yīng)力分別為1.97和3.74 MPa。負(fù)溫差對應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)力也發(fā)生在工字梁之上，分別為2.13和6.38 MPa；砼的拉、壓應(yīng)力極值分別為1.87和0.98 MPa。

在簡支結(jié)構(gòu)約束條件下，砼正溫差豎向溫度梯度對應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)力分別為2.16和1.08 MPa，在連續(xù)結(jié)構(gòu)約束條件下砼正溫差豎向溫度梯度對應(yīng)的最大拉、壓應(yīng)力分別為1.97和0.98 MPa，后者為前者的0.5倍，正溫差與負(fù)溫差之間效應(yīng)值的比例關(guān)系與JTG D62-2004規(guī)定的正負(fù)溫差之間-0.5的系數(shù)一致。

2.3美國規(guī)范計(jì)算結(jié)果分析

基于美國AASHTO規(guī)范，結(jié)合圖2和表2所示計(jì)算模型及取值，可得出4個(gè)區(qū)域的正溫差及負(fù)溫差豎向溫度參數(shù)取值：1區(qū)溫度參數(shù)T1為30℃，T2為7.8℃，下部鋼結(jié)構(gòu)部分的溫度為6.24℃；2區(qū)溫度參數(shù)T1為25℃，T2為6.7℃，下部鋼結(jié)構(gòu)部分的溫度為5.36℃；3區(qū)溫度參數(shù)T1為23℃，T2為6℃，下部鋼結(jié)構(gòu)部分的溫度為4.80℃；4區(qū)溫度參數(shù)T1為21℃，T2為5℃，下部鋼結(jié)構(gòu)部分的溫度為4.00℃；各自對應(yīng)的負(fù)溫差溫度梯度參數(shù)取值是在上述溫度參數(shù)的基礎(chǔ)上乘以-0.2的系數(shù)。

結(jié)合圖3所示有限元計(jì)算模型，對AASHTO的正溫差及負(fù)溫差豎向溫度梯度效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，約束條件分為簡支結(jié)構(gòu)與三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)。部分應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7和表4～7所示。

圖6　美國1區(qū)升溫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：Pa）

圖7　美國1區(qū)降溫應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（單位：Pa）

從表4～7可看出：1）當(dāng)約束條件為簡支結(jié)構(gòu)時(shí)，在正溫差豎向溫度梯度作用下，砼橋面板拉應(yīng)力極值變化范圍為3.1～4.34 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為3.7～5.16 MPa；工字鋼的拉應(yīng)力極值變化范圍為22.3～31.2 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為25.0～34.9 MPa。在負(fù)溫差豎向溫度梯度作用下，砼橋面板拉應(yīng)力極值變化范圍為0.74～1.03 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為0.62～0.87 MPa；工字鋼的拉應(yīng)力極值變化范圍為5.00～6.98 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為4.46～6.23 MPa。2）當(dāng)約束條件為連續(xù)結(jié)構(gòu)時(shí)，在正溫差豎向溫度梯度作用下，砼橋面板拉應(yīng)力極值變化范圍為2.81～3.95 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為5.58～7.77 MPa；工字鋼的拉應(yīng)力極值變化范圍為19.5～27.1 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為6.30～8.78 MPa。在負(fù)溫差豎向溫度梯度作用下，砼橋面板拉應(yīng)力極值變化范圍為1.12～1.55 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為0.56～0.79 MPa；工字鋼的拉應(yīng)力極值變化范圍為1.26～1.76 MPa，壓應(yīng)力極值變化范圍為3.91～5.42 MPa。

在正溫差中，兩種約束條件下砼橋面板最大拉應(yīng)力均超過C40砼的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度允許值，砼橋面板可能出現(xiàn)裂縫。簡支約束條件下工字鋼拉、壓應(yīng)力極大值的相對值最大差距達(dá)到67 MPa，而連續(xù)結(jié)構(gòu)約束條件下工字鋼拉、壓應(yīng)力極大值的相對值最大差距只有35.88 MPa，約束條件為連續(xù)約束時(shí)其應(yīng)力分布較為均勻，不易出現(xiàn)局部應(yīng)力過大現(xiàn)象。

表4　美國1區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

表5　美國2區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

表6　美國3區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

表7　美國4區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

3 結(jié)論

（1）中國JTG D62-2004規(guī)范關(guān)于地區(qū)差異的特征并不十分明顯，對應(yīng)的計(jì)算結(jié)果差異較大，在采用該規(guī)范計(jì)算溫度效應(yīng)時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際氣候情況對規(guī)范中的溫度參數(shù)取值進(jìn)行調(diào)整。

（2）相比簡支結(jié)構(gòu)，溫度效應(yīng)對連續(xù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力分布更為均勻，不易出現(xiàn)局部應(yīng)力過大情況。

（3）計(jì)算正溫差的溫度梯度效應(yīng)時(shí)，采用美國AASHTO規(guī)范，砼橋面板及工字鋼可獲得最大拉、壓應(yīng)力；計(jì)算負(fù)溫差的溫度梯度效應(yīng)時(shí)，采用中國規(guī)范，砼橋面板及工字鋼可獲得最大拉、壓應(yīng)力。

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U441

A

1671-2668（2016）05-0147-05

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2015CB057701）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51308071）；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JJ4057）；湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開放基金項(xiàng)目（12K076）；國家留學(xué)基金委資助項(xiàng)目（201408430155）；交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2015319825120）

2016-03-06