梯度溫度作用下裝配式混凝土箱梁溫度應(yīng)力分析

杜 元 王璐華 范旭濤 雷 笑

(1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司 南京 211100； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院 南京 210098)

裝配式混凝土箱梁橋是指采用預(yù)制單片預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，現(xiàn)場(chǎng)拼裝、現(xiàn)場(chǎng)澆筑預(yù)制箱梁翼緣間的連接縫(濕接縫)，與翼緣形成一體的裝配式橋梁結(jié)構(gòu)。一般在支座處(梁端)現(xiàn)澆橫隔梁，少數(shù)較大跨徑在跨中加設(shè)內(nèi)橫梁。與裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土T梁相比，具有建筑高度低、抗扭剛度大、活載橫向分配均勻等受力性能優(yōu)點(diǎn)，可顯著節(jié)約鋼材，混凝土用量也有所減少。裝配式混凝土箱梁可通過(guò)工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝加快施工速度，保證橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

單跨為25 m的裝配式混凝土箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面形式見(jiàn)圖1。

圖1 裝配式混凝土箱梁橋斷面形式(單位：cm)

裝配式混凝土箱梁結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境中，受溫度作用影響，沿結(jié)構(gòu)高度方向形成非線性的溫差分布，即梯度溫度作用[1-3]。而連續(xù)混凝土裝配式混凝土箱梁在空間上屬于多次超靜定結(jié)構(gòu)，在溫度作用下產(chǎn)生自應(yīng)力和次內(nèi)力。以往多座裝配式混凝土箱梁橋由于外荷載和溫度作用引起梁體和橫隔板出現(xiàn)混凝土開(kāi)裂、撓度增大等多種病害。溫度作用對(duì)梁體產(chǎn)生的病害輕則影響結(jié)構(gòu)的耐久性，重則危及結(jié)構(gòu)安全性能[4-5]。故有必要研究溫度作用對(duì)裝配式連續(xù)混凝土箱梁受力性能的影響，明確受力不利部位并預(yù)測(cè)溫度病害發(fā)生位置。設(shè)計(jì)中溫度作用常簡(jiǎn)化為梯度溫度模式進(jìn)行計(jì)算，不同設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的溫度模式不盡相同，導(dǎo)致相應(yīng)的結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)往往產(chǎn)生較大差別。因此有必要針對(duì)不同國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范的溫度模式對(duì)裝配式混凝土箱梁溫度效應(yīng)的影響開(kāi)展有限元研究[6-7]。

本研究針對(duì)單跨25 m的五跨一聯(lián)連續(xù)裝配式混凝土箱梁橋建立三維有限元模型。依據(jù)不同國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的溫度模型，通過(guò)熱分析得出相應(yīng)的溫度場(chǎng)。利用熱-結(jié)構(gòu)間接耦合功能開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析，研究溫度作用引起的裝配式混凝土箱梁橋溫度效應(yīng)。

1 有限元模型的建立

采用ANSYS軟件建立單跨跨徑為25 m的五箱五跨連續(xù)裝配式混凝土箱梁橋?qū)嶓w有限元模型，考慮計(jì)算規(guī)模限制和計(jì)算成本，依據(jù)對(duì)稱(chēng)性選取1/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。有限元模型整體及局部細(xì)節(jié)見(jiàn)圖2。模型采用實(shí)體單元，單元形狀為六面體。箱梁截面單元尺寸控制在10 cm以?xún)?nèi)，主梁縱向單元尺寸基本為50 cm。有限元模型的單元數(shù)量為57 427個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為77 650個(gè)。

圖2 裝配式混凝土箱梁橋有限元模型

主梁、橫隔板及現(xiàn)澆部分采用C50混凝土澆筑，箱梁頂部現(xiàn)澆6 cm厚的C40混凝土調(diào)平層，橋面鋪裝層為10 cm厚的瀝青混凝土。各種材料的特性及熱物理參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料特性計(jì)算參數(shù)

1.1 熱分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外不同規(guī)范規(guī)定的梯度溫度，通過(guò)有限元模型熱分析，得出裝配式混凝土箱梁溫度場(chǎng)分布。混凝土箱梁采用熱分析單元，熱分析時(shí)忽略預(yù)應(yīng)力鋼束，僅考慮混凝土實(shí)體結(jié)構(gòu)。在分析中，分別采用中國(guó)[8]、美國(guó)、英國(guó)、新西蘭，以及日本5個(gè)國(guó)家的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的簡(jiǎn)化溫度梯度模式進(jìn)行[9-12]。

根據(jù)不同規(guī)范的溫度模式，在溫度梯度曲線折點(diǎn)處施加相應(yīng)的溫度邊界條件，進(jìn)行有限元模型熱分析。使用ANSYS熱分析得出有限元模型溫度場(chǎng)。各國(guó)規(guī)范中溫度場(chǎng)分布見(jiàn)圖3。

圖3 溫度梯度沿梁高分布曲線

不同規(guī)范的梯度溫度分布模式有所差別，具體表現(xiàn)為箱梁頂部至底部的溫度分布形式，有直線形、雙折線形和冪函數(shù)曲線形等，以及箱梁底部是否存在梯度溫度等，模型具體參數(shù)見(jiàn)表2。依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范施加溫度荷載時(shí)，宜選取與當(dāng)?shù)丨h(huán)境最接近的規(guī)范溫度模式，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度效應(yīng)分析。

表2 溫度梯度計(jì)算參數(shù)

1.2 結(jié)構(gòu)分析

利用熱-結(jié)構(gòu)耦合功能分析裝配式混凝土箱梁橋溫度場(chǎng)并進(jìn)行求解[13]。混凝土箱梁、橫隔板及橋面鋪裝層等實(shí)體構(gòu)件采用實(shí)體單元[14]。同時(shí)，在模型每跨箱梁支座位置施加五跨一聯(lián)的連續(xù)梁邊界條件。預(yù)制箱梁與現(xiàn)澆混凝土、橫隔板及橋面鋪裝等構(gòu)件采用共用節(jié)點(diǎn)耦合自由度。模型計(jì)算時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力，僅研究不同規(guī)范溫度模式對(duì)裝配式混凝土箱梁溫度效應(yīng)的影響。將熱分析得出的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析中，開(kāi)展結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)分析。

2 溫度效應(yīng)結(jié)果分析

2.1 主梁撓度

梯度溫度作用使連續(xù)箱梁在邊跨和中跨出現(xiàn)上撓，次邊跨出現(xiàn)下?lián)稀槎垦芯坎煌?guī)范溫度模式對(duì)主梁變形的影響，沿梁跨方向提取主梁撓度，撓度分布曲線見(jiàn)圖4。

圖4 主梁撓度分布曲線

由圖4可見(jiàn)，邊跨部分，撓度分布由大到小的工況分別為新西蘭規(guī)范，中、美規(guī)范，英國(guó)規(guī)范，日本規(guī)范，相應(yīng)的撓度峰值為1.98，1.84，1.44，0.88 mm，最大值是最小值的2.25倍。次邊跨部分，各工況出現(xiàn)下?lián)希珦隙容^小，由大到小的工況分別為新西蘭規(guī)范，中、美規(guī)范，英國(guó)規(guī)范，日本規(guī)范，相應(yīng)的撓度峰值為0.51，0.44，0.32，0.20 mm，撓度最大值是最小值的2.55倍。中跨部分出現(xiàn)上撓，但撓度小于邊跨，撓度峰值由大到小的工況分別為中、美規(guī)范，新西蘭規(guī)范，英國(guó)規(guī)范，日本規(guī)范，最大值是最小值的1.95倍。由此可見(jiàn)，不同規(guī)范的溫度模式對(duì)主梁變形影響較大。

2.2 縱向應(yīng)力分布

表3為關(guān)鍵截面各部位縱向應(yīng)力分布表。

表3 關(guān)鍵截面縱向應(yīng)力分布 MPa

由表3可見(jiàn)，不同規(guī)范工況下的應(yīng)力分布有差別。在邊跨跨中截面，中、美規(guī)范工況在箱梁梗腋處拉應(yīng)力最高，約為2 MPa。英國(guó)規(guī)范工況在箱梁梗腋處除局部應(yīng)力集中外，應(yīng)力大多不超過(guò)1.3 MPa。新西蘭規(guī)范工況在箱梁梗腋處和邊梁腹板部分的應(yīng)力水平為1～1.5 MPa。日本規(guī)范工況在箱梁梗腋處應(yīng)力集中顯著，腹板部分最大拉應(yīng)力不超過(guò)1.2 MPa。由此可見(jiàn)，不同規(guī)范溫度模式對(duì)邊跨跨中截面縱向應(yīng)力分布有影響。在中跨跨中截面，中、美規(guī)范工況在箱梁梗腋處拉應(yīng)力較高，最大拉應(yīng)力約為1.4 MPa。英國(guó)規(guī)范工況的應(yīng)力分布與中、美規(guī)范工況相似，但在底板應(yīng)力分布有差別，應(yīng)力水平低于中、美規(guī)范工況。新西蘭規(guī)范工況在箱梁梗腋處及腹板部分出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力約為1.7 MPa。日本規(guī)范工況在箱梁腹板及梗腋處出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力不超過(guò)0.9 MPa。

2.3 橫向應(yīng)力分布

表4為關(guān)鍵截面各部位橫向應(yīng)力分布表。

表4 關(guān)鍵截面橫向應(yīng)力分布 MPa

由表4可見(jiàn)，不同規(guī)范工況下的應(yīng)力分布有差別。在邊跨跨中截面，中、美規(guī)范工況在混凝土橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，橋面板濕接縫區(qū)域拉應(yīng)力較高，最大拉應(yīng)力約為1.5 MPa。英國(guó)規(guī)范工況下，混凝土橋面板局部拉應(yīng)力高于中、美規(guī)范工況，拉應(yīng)力在1～1.7 MPa的分布面積亦較大。新西蘭規(guī)范工況在橋面板底部拉應(yīng)力較高，最大拉應(yīng)力超過(guò)1.1 MPa，最高拉應(yīng)力值及分布面積較前2種工況有差別。日本規(guī)范工況應(yīng)力水平整體較小，在橋面板及腹板部分出現(xiàn)拉應(yīng)力。在中跨跨中截面，中、美規(guī)范工況下混凝土橋面板出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力分布在中梁與次邊梁的橋面板底部，最大拉應(yīng)力約為1.6 MPa。英國(guó)規(guī)范工況下，截面應(yīng)力分布趨勢(shì)與中、美規(guī)范工況相似，但最大拉應(yīng)力高于前者，最大拉應(yīng)力值約為1.8 MPa。新西蘭規(guī)范工況下，箱梁橋面板部分區(qū)域受拉，最大拉應(yīng)力超過(guò)1.1 MPa。日本規(guī)范工況的應(yīng)力水平整體較小。

2.4 腹板主應(yīng)力分布

圖5為4種不同溫度梯度規(guī)范模式下箱梁腹板第一主應(yīng)力分布云圖。由圖5可見(jiàn)，各國(guó)規(guī)范工況在邊跨的主應(yīng)力分布有差別。邊跨最大主拉應(yīng)力分布在次邊跨支點(diǎn)附近，次邊跨出現(xiàn)全橋最大主拉應(yīng)力，處于中跨支點(diǎn)附近。中、美規(guī)范工況下主拉應(yīng)力最大超過(guò)1.8 MPa，邊支點(diǎn)附近也有較大的拉應(yīng)力分布。新西蘭規(guī)范工況下的最大主拉應(yīng)力為2 MPa，其余2種規(guī)范工況最大主拉應(yīng)力不超過(guò)1.2 MPa。中跨部分，主拉應(yīng)力水平較邊跨和次邊跨要小，4種規(guī)范工況在中跨的腹板主應(yīng)力分布有差別。由此可見(jiàn)，不同規(guī)范溫度模式對(duì)腹板主應(yīng)力分布有影響。

圖5 箱梁腹板第一主應(yīng)力分布(單位：MPa)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)單跨為25 m的五跨一聯(lián)連續(xù)裝配式混凝土箱梁橋溫度場(chǎng)及溫度作用效應(yīng)進(jìn)行實(shí)體有限元分析，得出如下結(jié)論。

1) 各國(guó)規(guī)范溫度模式不盡相同，其對(duì)裝配式混凝土箱梁的溫度效應(yīng)亦有所差別。分析溫度效應(yīng)時(shí)，宜盡量選取與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相近的溫度模式，依據(jù)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)加以分析。

2) 4種規(guī)范溫度作用工況下，主梁邊跨撓度峰值最大相差125%，次邊跨為155%、中跨為95%，不同規(guī)范的溫度模式對(duì)裝配式混凝土箱梁變形影響較大。

3) 不同規(guī)范溫度作用工況下，箱梁在每跨的支點(diǎn)和跨中截面的應(yīng)力大小、應(yīng)力分布情況有較大差別，綜合而言，縱向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在箱梁梗腋處，約為2 MPa；橫向應(yīng)力最大值出現(xiàn)在混凝土橋面板內(nèi)，約為1.5 MPa；全橋最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在次邊跨，約為2.5 MPa。日本規(guī)范溫度工況與其他規(guī)范差別較大。