基于不同規范下的鋼板組合梁橋溫度效應對比分析

李啟成

(中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026)

1 引言

理論分析和研究發現，溫度梯度作用作為橋梁的主要活荷載之一，在大跨度預應力混凝土箱梁特別是超靜定結構體系中，溫度效應在一定程度上對主梁內力的影響超過汽車荷載[1]，甚至在分析橋梁內力時成為主要控制因素。因此，忽略溫度梯度對主梁內力的影響會對橋梁的耐久性和運營造成極大的危害[2]。如德國 Jagst厚腹板箱梁橋運營后不久，其箱梁出現了較大裂縫，經分析溫度產生的應力高達2.6 MPa；新西蘭一座高架橋由于梁截面溫差的影響主梁出現嚴重裂縫，修復時耗費大量的資金[3]。在我國，由于受到日照溫度影響后，橋梁上部結構產生溫度梯度造成主梁開裂現象時有發生，如漓江二橋、通惠河連續梁橋和九江長江大橋等由于溫度效應導致的應力變化使箱梁產生開裂[4]。因此，自20世紀70年代以來，溫度效應對于橋梁結構的理論研究有了更進一步的發展。有學者根據溫度沿截面在豎向的變化情況，提出了溫度場的變化規律以及溫度梯度的數學模型[5-6]。

為了更精確模擬溫度沿梁截面豎向的變化規律，各個國家地區的橋梁規范采用不同的溫度梯度模式，如5次拋物線、三折線、指數曲線等[7]。有學者通過對比各個國家地區不同溫度梯度模式，對混凝土橋梁主梁的應力影響程度的大小進行研究。與混凝土橋梁不同的是，鋼-混凝土組合梁橋其混凝土和鋼的線膨脹系數大致相同，但鋼材的導熱性好，傳熱快，對于溫度變化的反應較快。當大氣溫度驟變時，鋼板很快能接近大氣溫度，而混凝土對于環境溫度變化的適應性較慢。因此，不同溫度梯度模式下，鋼-混凝土組合梁橋主梁的溫度效應影響需要進一步進行對比分析。本文以京新高速盆克特2號大橋主跨為50 m鋼-混凝土組合梁橋為研究背景，采用國內外幾種規范所規定的溫度梯度模式進行分析對比，為今后同類型橋梁的溫度效應研究提供參考。

2 不同規范下的溫度梯度模式

各個國家地區由于其地域、地形地貌以及氣候的差異，對于橋梁結構豎向梯度溫度的規范也不盡相同。

(1)英國BS5400

英國BS5400規范規定鋼-混凝土橋梁的溫度梯度曲線如圖1所示，溫度取值如表1(橋面鋪裝厚度為100 mm)。該規范對橋面鋪裝類型未加以區分，對溫度梯度曲線受鋪裝厚度的影響有所考慮[8]。

表1 英國BS5400豎向日照溫差溫度基數

圖1 BS5400規范豎向溫度梯度模型

(2)美國AASHTO規范

美國規范同樣采用雙折線的溫度梯度模式，其溫度梯度模型如圖2所示[9]。

圖2 美國規范豎向溫度梯度模型(單位:mm)

溫度基數的取值根據橋梁所在位置進行分區，全國共分為四個區域，表2給出了基準溫度的取值。

表2 美國規范豎向日照溫差溫度基數

美國規范在計算負溫度梯度時，如果橋面為素混凝土，溫度取值為各地區溫度基數的-0.3倍；如果為瀝青混凝土，則溫度取值為各溫度基數的-0.2倍。

(3)新西蘭規范

新西蘭橋梁設計規范規定的溫度梯度曲線與其他各國不同，曲線采用一條高1.2 m的五次拋物線(見圖3)，混凝土表面的溫度與瀝青厚度d有關，該曲線適用于腹板。對于封閉箱室上部的頂板采用拋物線變化，對于下底板，200 mm范圍內采用線性變化。圖3中，T0＝(32-0.2d)，℃；d為瀝青鋪裝厚度，mm；Ty＝T0(y/1 200)5，℃[10]。

(4)歐洲規范

歐洲規范規定鋼-混凝土橋梁的溫度梯度模式采用兩種方式:一種為普通模式，完全采用BS5400規范，如圖1所示；另一種采取一種簡化的溫度梯度模型，如圖4所示[11]。

圖3 新西蘭規范豎向溫度梯度模型(單位:mm)

圖4 歐洲規范豎向溫度梯度簡化模型

(5)中國公路橋涵設計通用規范(JTG D60-2015)

中國規范考慮了氣候分區、橋面板類型及橋面鋪裝層厚度等因素的影響，將全國分為三個區:嚴寒地區、寒冷地區、溫熱地區。平均溫度的有效溫度取值見表3，溫度標準值見表4[12]。

橫向驗算：長細比λ=h/i=1350/15.8=85.44，查《鋼結構設計規范》中表可知：φ=0.692；主體支架承受均布荷載為Q系支=98.91kN/m2，主體支架按最不利布置0.4m×0.6m計算，則一個支架框架受力F=98.91×0.4×0.6=23.74kN=23740N；則F/（φA）+σm=23740/（0.692×489）+55=125.16MPa＜KA×KH×f=0.85×0.99×205=172.51MPa；故系梁橫向滿足要求，是安全的。

表3 中國規范豎向日照溫差溫度基數

表4 2015橋梁通用規范標準值 ℃

溫度基準值根據橋梁鋪裝分為三種，按表3取值，負溫差采用正溫差的-0.5倍。對組合梁，采用鋼梁內溫度均勻、混凝土板內為雙折線的溫度梯度，如圖5所示。

圖5 中國規范豎向溫度梯度模型

3 模型計算及結果分析

3.1 工程概況

京新高速公路(G7)巴里坤至木壘公路建設項目是國家高速公路網G7北京至烏魯木齊國家高速公路的重要組成部分。項目區屬天山山地，年平均氣溫2.7℃，極端最低氣溫為-43.4℃。

盆克特2號大橋位于京新高速巴里坤至木壘段K227＋556.5處，全橋共4聯，即4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全長462 m。本文研究50 m的主梁部分，橋寬27 m，為裝配式鋼板組合梁橋。盆克特2號大橋跨中和支座橫斷面如圖6所示。

圖6 跨中橫斷面(單位:mm)

3.2 有限元計算模型

借助MIDAS Civil有限元分析軟件，建立有限元模型，共劃分為10 167個單元。本模型中上部結構預制混凝土板采用C50混凝土，彈性模量Ec＝3.45×104MPa，混凝土容重為ρ＝25.49 kN/m3，泊松比υ＝0.2；工字鋼采用Q345，彈性模量Ec＝2.06×105MPa，鋼材容重為ρ＝78.50 kN/m3，泊松比υ＝0.3。

將不同的溫度梯度記為不同的工況，施加于有限元模型中。溫度梯度曲線的溫度峰值取值見表5。工況1～5根據不同規范溫度梯度取升溫，而工況6～9溫度梯度取降溫。將不同的溫度梯度工況輸入有限元模型進行應力及撓度分析。

表5 不同規范溫度梯度峰值取值

3.3 組合梁應力計算結果計算分析

根據表5不同規范溫度梯度作用取9種工況進行預制混凝土板上、下緣應力比較，應力工況分別取預制混凝土板支座、L/4、L/2(L為橋梁跨度)位置為關鍵截面。不同工況下的應力比較見表6，表中應力以拉為正、壓為負。

由于該鋼板梁橋為50 m跨徑的簡支梁橋，在溫度梯度作用下，橋梁沿跨徑方向混凝土板的頂底板應力在同一工況下基本相同。根據已設工況對板跨中上、下緣應力進行比較，見圖7。

圖7 板跨中應力比較

表6 不同工況下預制混凝土板應力 MPa

由表6及圖7可知:

(1)在陽光照射作用下，不同規范組合梁升溫溫度梯度下，混凝土板上緣表現為壓應力，下緣表現為拉應力；降溫溫度梯度下，組合梁混凝土板上緣表現為拉應力，下緣表現為壓應力。

(2)不同規范組合梁截面升溫和降溫溫度梯度作用下，混凝土板的溫差應力分布規律基本相同。在升溫作用下，混凝土板上緣最大應力排列順序為:美國規范＞中國規范＞英國規范＞歐洲規范＞新西蘭規范；在降溫作用下，混凝土板上緣最大應力排列順序為:美國規范＞歐洲規范＞中國規范＞英國規范。對比在正溫度梯度作用下，美國規范最大值和新西蘭規范最小值(跨中板上緣應力)分別為-4.52 MPa和-1.16 MPa，而中國規范為-2.82 MPa，與歐洲規范和英國規范相差不大。對于梁截面溫度梯度降溫，同樣美國規范溫度梯度產生(跨中板頂)的拉應力最大，其值為2.42 MPa，其次是歐洲規范為2.27 MPa，中國規范和英國規范值較小，分別為1.41 MPa和0.84 MPa。

(3)從降溫和升溫兩種作用下混凝土板上、下緣應力分析，按照美國規范規定，產生的溫度應力最大，按照中國與英國規范產生的溫度應力值較為接近。

3.4 組合梁撓度計算結果分析

分別取預制混凝土板L/4、L/2位置為關鍵截面，同樣采用9種工況進行計算?；炷涟鍝隙扔嬎憬Y果見表7。撓度以豎直向上為正、豎直向下為負。

表7 不同工況下板的撓度計算值 mm

工況1～5采用不同規范下的溫度梯度溫升模式，工況6～9采用溫度梯度溫降模式。其撓度曲線見圖8。

圖8 混凝土板撓度

通過表7及圖8在不同工況下混凝土板的撓度比較，可以得到以下結論:

(1)各國規范截面溫度梯度模式作用下組合梁所產生的變形規律基本一致，撓度呈近似拋物線形，以梁跨中為對稱軸呈中心對稱。

(2)各國規范規定下，截面升溫溫度梯度組合梁最大撓度值按照大小排列為:美國規范＞中國規范＞英國規范＞歐國規范＞新西蘭規范；截面降溫溫度梯度組合梁最大撓度值按大小排列為:美國規范＞英國規范＞歐洲規范＞中國規范。對比升溫作用下，撓度最大的美國規范和撓度最小的新西蘭規范，其跨中撓度值分別為11.79 mm和6.25 mm，而中國規范下板的跨中撓度為7.88 mm，略高于歐洲和英國規范；在降溫作用下，跨中撓度最大的仍然是美國規范，其值為5.98 mm，而中國規范下板的跨中撓度最小，僅為3.94 mm。

4 結論

(1)受日照升溫、驟然降溫和年溫變化的影響，不同國家對溫度梯度的規定存在較大差異，主要表現在幾個方面:部分國家考慮了降溫時溫度梯度對結構的影響，而部分國家未考慮；部分國家對溫度梯度劃分了數個區域；部分國家考慮了上層鋪裝對溫度梯度的影響。

(2)結合京新高速公路盆克特2號主橋50 m鋼混組合梁橋建立有限元模型，針對各國不同溫度梯度模式進行計算，得出正、負溫度梯度作用下組合梁橋混凝土板的應力?？梢园l現，以美國規范對溫度效應的考慮最為保守，跨中板上緣在正、負溫度梯度作用下其應力為-4.52 MPa和2.42 MPa，而采用中國規范的溫度應力介于最大的美國規范和最小的英國規范之間，美國規范在溫度梯度作用下應力效應要大于中國規范。此外，不同規范的溫度梯度對結構的影響規律基本相同，在升溫作用下，混凝土預應力板上緣呈壓應力，下緣呈拉應力；降溫作用下混凝土預應力板上緣呈拉應力，下緣呈壓應力。

(3)通過有限元計算得出的撓度結果分析，溫度效應對橋梁的撓度影響以美國規范最為保守，跨中撓度在正、負溫度梯度下分別為11.79 mm、-5.98 mm。在正溫度梯度作用下，以新西蘭規范跨中撓度值最小，為6.25 mm；負溫度梯度作用下，中國規范跨中撓度值最小，為-3.94 mm。

(4)鋼-混凝土組合梁橋在溫度梯度的選擇和溫度應力的控制對結構的使用性能至關重要，在進行結構設計時應當引起充分重視，建議必要時可以采用試驗的方式來確定溫度特征值。