溫度對橋梁結構內力的影響分析

向木生 張文濤

(武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

近年來，預應力混凝土在大跨度橋梁結構中得到廣泛應用。在設計、施工、測量等過程中，溫度是設計中需考慮的內容，如澆筑及養護過程中混凝土水化熱產生的結構內、外溫差，日照作用下結構表面升溫等都是溫度變化的因素，因此，在結構設計計算、橋梁施工控制和結構測試時應充分考慮溫度對橋梁結構狀態的影響。

以某大橋為例，根據橋梁溫度場的分布規律，建立箱梁懸澆階段和成橋狀態下的溫度引起的結構狀態變化模型，進行溫度對箱梁應力和撓度影響的計算與分析，討論溫度效應的重要性。

1 箱梁豎向溫度場

1.1 溫度梯度模式

目前主要的溫度梯度模式有：①英國BS5400；②美國荷載規范；③新西蘭橋梁規范；④我國《公路橋涵設計通用規范》[1](以下簡稱《橋規》)。

我國《橋規》溫度梯度模式是在對其他3種模式進行多座橋梁的應力計算比較基礎上，采用美國規范的溫度梯度曲線，并做相應調整后得到的，溫度梯度曲線見圖1，其溫度計算基數見表1。

圖1 中國《橋規》溫度梯度曲線

表1 豎向日照溫差計算的溫度基數 ℃

1.2 溫度分布規律

日照作用下，混凝土結構溫度分布規律見圖2，豎向溫差分布規律[2-3]為

t(y)=t0ye-Cyy

式中：t0y為頂板、底板溫差，通常取15 ℃，豎向溫差計算時取20 ℃；Cy為指數系數，通常取10；y以m計。

圖2 溫度分布規律

2 溫度效應計算與分析

2.1 實例工程概況

某橋是省道改建工程中的一座大橋。主橋采用移動掛籃逐節懸澆施工，邊跨現澆段搭支架澆筑。主橋上部結構為40 m+5×70 m+40 m的三向預應力混凝土連續箱梁，箱梁截面采用單箱單室。橋型布置見圖3。

圖3 橋型布置圖(單位：m)

2.2 溫度效應結構計算建模

利用midas Civil有限元結構計算軟件，建立溫度效應結構計算模型，溫度梯度模式采用我國《橋規》。由于該橋是三向預應力混凝土連續箱梁結構，采用懸臂施工方法，因此，為分析溫度對箱梁結構的影響，考慮2個較大的施工階段建立溫度效應結構計算模型：①建立懸臂施工階段模型，分別選取各節段張拉后箱梁結構狀態建模，如圖4a)，b)，c)分別為第1，5，9階段張拉后結構計算模型，依次對應第1節段懸臂、1/2懸臂及最大懸臂階段狀態；②全橋合龍張拉完成后，建立全橋模型，見圖5。全橋共劃分146個單元。

圖4 懸臂階段結構計算模型

圖5 全橋合龍后計算模型

建模分析時，僅考慮豎向溫度變化對箱梁上部結構的影響，未考慮橫向、縱向溫差對結構及橋墩溫度效應對箱梁上部結構的影響。

2.3 溫度變化對箱梁應力影響分析

為形象描述箱梁各節段位置，圖6示意了其中一個橋墩(7號墩)處箱梁一端各節段位置(或截面位置)與編號。從7號墩至跨中依次為0～9號塊，共10個節段，其中0號塊箱梁長10 m，1～5號箱梁長3 m，6～9號塊箱梁長3.5 m。

圖6 7號墩處箱梁各節段平面示意圖

1) 懸澆階段根部應力分析。溫度效應結構計算時，采用非線性溫度梯度，分別考慮了頂板升溫Δt=5，10，20 ℃ 3種工況，計算分析了溫度變化對根部箱梁頂板(1截面)應力的影響[4]。

在箱梁施工的懸臂階段，溫度對預應力混凝土連續箱梁結構應力的影響計算結果見表2。

表2 溫度對根部頂板應力影響變化表

由表2可見，各階段的溫度變化對根部頂板應力均有一定影響，且在同一工況下，隨著懸臂段長度的增加，應力變化增大；隨著內外溫差的增大，應力變化也在增加。

2) 全橋合龍后應力分析。在全橋合龍后，溫度對預應力混凝土連續箱梁結構根部頂板應力的影響計算結果見表3。上、下緣溫度應力沿橋縱向變化規律見圖7。

表3 溫度對根部頂板應力影響變化表

圖7 溫度(Δt=5 ℃)對全橋應力影響變化曲線

由圖7可見，溫度變化對箱梁各截面應力有一定影響，特別是在箱梁跨中截面影響較大。當溫度升高時，箱梁上緣主要為壓應力，下緣主要為拉應力?？缰薪孛嫔暇墘簯Ψ逯颠_1.38 MPa，下緣拉應力峰值達1.75 MPa。

2.4 溫度變化對箱梁撓度影響分析

計算溫度效應時，采用非線性溫度梯度，分別計算頂板升溫Δt=5，10，20 ℃ 3種工況下溫度變化對箱梁各截面撓度的影響。并考慮最大懸臂段(9號塊)張拉階段，頂板降溫10 ℃時，溫度變化對箱梁各截面撓度的影響。提取升溫與降溫(Δt均為10 ℃)的有限元計算結果，見表4、表5。

表4 升溫工況撓度變化(10 ℃) cm

表5 頂板降溫時撓度變化(10 ℃) cm

為直觀反映溫度對箱梁撓度的影響，提取升溫模式各工況下，9號塊張拉階段各截面撓度變化值以及表5數據。分別從升溫及降溫分析溫度變化對箱梁各截面撓度的影響，見圖8。

圖8 溫度變化對撓度的影響

結果顯示，撓度受溫度影響較大。由圖8a)可見，升溫模式各工況下，撓度值隨截面與支座距離的增加而逐漸增大，且溫度變化越大，撓度負增量越明顯(向下)，當Δt升20 ℃時，撓度峰值達-1.64 cm；由圖8b)可見，降溫模式下，箱梁撓度正增長(向上)，具有與升溫模式變化曲線反向的規律，越靠近支座，撓度變化越小，當Δt降10 ℃時，撓度峰值達0.62 cm。

3 結語

1) 進行應力計算時，應選擇合適的溫度梯度模式，使計算值更接近真實值。

2) 溫度對橋梁結構應力有一定影響。在懸臂各階段，溫度變化對根部截面上緣應力影響較小，箱梁合龍后，溫度變化對箱梁結構應力影響較大。

3) 溫度變化對箱梁撓度的影響較大。升溫模式下溫度越高，箱梁負撓度值越大；降溫模式下，箱梁撓度正增長；溫度變化對根部撓度影響較小，對懸臂最遠端撓度影響最大。合龍后對跨中撓度影響最大。

[1] 公路橋涵設計通用規范：JTG D60-2015[S].北京：人民交通出版社,2015.

[2] 管龍.環境溫度對大跨徑連續剛構橋的應力-變形影響研究[D].西安：長安大學, 2013.

[3] 周俊,羅凌峰.溫度自應力對連續鋼構橋的影響[J].建筑工程技術與設計,2015(20):1959-1961.

[4] 包龍生,宋濤,于玲,等.基于溫度應力對大跨度橋梁施工監控的影響分析[J].公路交通科技(應用技術版),2015(1):264-269.