梯度溫度作用下裝配式混凝土箱梁溫度應力分析

杜 元 王璐華 范旭濤 雷 笑

(1.江蘇高速公路工程養護技術有限公司 南京 211100； 2.河海大學土木與交通學院 南京 210098)

裝配式混凝土箱梁橋是指采用預制單片預應力混凝土箱梁，現場拼裝、現場澆筑預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構。一般在支座處(梁端)現澆橫隔梁，少數較大跨徑在跨中加設內橫梁。與裝配式后張法預應力混凝土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點，可顯著節約鋼材，混凝土用量也有所減少。裝配式混凝土箱梁可通過工廠預制、現場拼裝加快施工速度，保證橋梁結構的質量。

單跨為25 m的裝配式混凝土箱梁標準斷面形式見圖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構在自然環境中，受溫度作用影響，沿結構高度方向形成非線性的溫差分布，即梯度溫度作用[1-3]。而連續混凝土裝配式混凝土箱梁在空間上屬于多次超靜定結構，在溫度作用下產生自應力和次內力。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混凝土開裂、撓度增大等多種病害。溫度作用對梁體產生的病害輕則影響結構的耐久性，重則危及結構安全性能[4-5]。故有必要研究溫度作用對裝配式連續混凝土箱梁受力性能的影響，明確受力不利部位并預測溫度病害發生位置。設計中溫度作用常簡化為梯度溫度模式進行計算，不同設計規范推薦的溫度模式不盡相同，導致相應的結構溫度效應往往產生較大差別。因此有必要針對不同國家設計規范的溫度模式對裝配式混凝土箱梁溫度效應的影響開展有限元研究[6-7]。

本研究針對單跨25 m的五跨一聯連續裝配式混凝土箱梁橋建立三維有限元模型。依據不同國家設計規范推薦的溫度模型，通過熱分析得出相應的溫度場。利用熱-結構間接耦合功能開展結構分析，研究溫度作用引起的裝配式混凝土箱梁橋溫度效應。

1 有限元模型的建立

采用ANSYS軟件建立單跨跨徑為25 m的五箱五跨連續裝配式混凝土箱梁橋實體有限元模型，考慮計算規模限制和計算成本，依據對稱性選取1/4結構進行有限元分析。有限元模型整體及局部細節見圖2。模型采用實體單元，單元形狀為六面體。箱梁截面單元尺寸控制在10 cm以內，主梁縱向單元尺寸基本為50 cm。有限元模型的單元數量為57 427個，節點數量為77 650個。

圖2 裝配式混凝土箱梁橋有限元模型

主梁、橫隔板及現澆部分采用C50混凝土澆筑，箱梁頂部現澆6 cm厚的C40混凝土調平層，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取值見表1。

表1 材料特性計算參數

1.1 熱分析

根據國內外不同規范規定的梯度溫度，通過有限元模型熱分析，得出裝配式混凝土箱梁溫度場分布。混凝土箱梁采用熱分析單元，熱分析時忽略預應力鋼束，僅考慮混凝土實體結構。在分析中，分別采用中國[8]、美國、英國、新西蘭，以及日本5個國家的橋梁設計規范所規定的簡化溫度梯度模式進行[9-12]。

根據不同規范的溫度模式，在溫度梯度曲線折點處施加相應的溫度邊界條件，進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。各國規范中溫度場分布見圖3。

圖3 溫度梯度沿梁高分布曲線

不同規范的梯度溫度分布模式有所差別，具體表現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，模型具體參數見表2。依據設計規范施加溫度荷載時，宜選取與當地環境最接近的規范溫度模式，對結構進行溫度效應分析。

表2 溫度梯度計算參數

1.2 結構分析

利用熱-結構耦合功能分析裝配式混凝土箱梁橋溫度場并進行求解[13]。混凝土箱梁、橫隔板及橋面鋪裝層等實體構件采用實體單元[14]。同時，在模型每跨箱梁支座位置施加五跨一聯的連續梁邊界條件。預制箱梁與現澆混凝土、橫隔板及橋面鋪裝等構件采用共用節點耦合自由度。模型計算時不考慮結構自重和預應力，僅研究不同規范溫度模式對裝配式混凝土箱梁溫度效應的影響。將熱分析得出的節點溫度作為載荷施加到結構分析中，開展結構溫度效應分析。

2 溫度效應結果分析

2.1 主梁撓度

梯度溫度作用使連續箱梁在邊跨和中跨出現上撓，次邊跨出現下撓。為定量研究不同規范溫度模式對主梁變形的影響，沿梁跨方向提取主梁撓度，撓度分布曲線見圖4。

圖4 主梁撓度分布曲線

由圖4可見，邊跨部分，撓度分布由大到小的工況分別為新西蘭規范，中、美規范，英國規范，日本規范，相應的撓度峰值為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，各工況出現下撓，但撓度較小，由大到小的工況分別為新西蘭規范，中、美規范，英國規范，日本規范，相應的撓度峰值為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、美規范，新西蘭規范，英國規范，日本規范，最大值是最小值的1.95倍。由此可見，不同規范的溫度模式對主梁變形影響較大。

2.2 縱向應力分布

表3為關鍵截面各部位縱向應力分布表。

表3 關鍵截面縱向應力分布 MPa

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

2.3 橫向應力分布

表4為關鍵截面各部位橫向應力分布表。

表4 關鍵截面橫向應力分布 MPa

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

2.4 腹板主應力分布

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

圖5 箱梁腹板第一主應力分布(單位：MPa)

3 結語

通過對單跨為25 m的五跨一聯連續裝配式混凝土箱梁橋溫度場及溫度作用效應進行實體有限元分析，得出如下結論。

1) 各國規范溫度模式不盡相同，其對裝配式混凝土箱梁的溫度效應亦有所差別。分析溫度效應時，宜盡量選取與當地環境相近的溫度模式，依據實測溫度數據加以分析。

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

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