橋梁溫度效應分析研究

郭鋼江

（上海市政工程設計研究總院集團浙江市政設計院有限公司，杭州310000）

1 引言

高墩大跨連續剛構橋由于自身結構特性（抗震能力較強、跨越能力較強），環境適應性較強的施工工藝（如懸臂法施工）等優勢，最近幾十年取得了快速的發展。但與此同時，也伴隨橋梁運營時間的增長，橋梁出現裂縫等不良現象，對橋梁結構安全及行車舒適性造成了不同程度的影響。

目前，世界上對于該型橋梁的病害原因歸類主要有橋梁自身收縮徐變及橋梁長期不均勻溫度效應變化等。本文主要從溫度效應變化角度來分析。我國JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》與美國AASHTO 規范、英國橋規BS 5400 中關于溫度梯度的理論計算公式有差異。因此，本文依托一座已建成的該型橋梁，通過三維溫度效應計算模擬，對比分析中國、美國及英國規范中對溫度梯度的計算取值。

2 影響橋梁溫度效應變化的因素

橋梁周圍的熱交換環境主要由3 方面組合：（1）橋梁結構的幾何和材料屬性；（2）橋址處氣溫變化；（3）橋址處地形地貌特征。

而橋梁溫度效應的變化本質上受3 種因素影響[1]：太陽輻射、輻射換熱、對流換熱。

3 工程概況

橋梁為102.75 m+160 m+160 m+102.75 m 5 跨變高截面連續剛構橋，橋寬12.0 m，主梁與橋墩固結，主梁與邊墩鉸接，橋墩高為46.0 m，為雙肢薄壁結構；上部結構為單箱單室截面，跨中梁高為3.3 m，中墩處梁高為9.5 m，梁高按二次拋物線變化。

4 基于ANSYS的橋梁溫度效應分析

橋梁所處的溫度場主要受到太陽輻射、輻射換熱及對流換熱的影響，而這些影響因素都是在不斷變化的。因此，橋梁自身的溫度場也是一個不斷變化的非線性問題。通過ANSYS的瞬態熱分析[2,3]，建立全橋實體計算模型（橋梁結構對稱，計算模型取1/2 全橋長度）。

根據橋址處歷史氣象資料，選取夏季及冬季各單個自然日中氣溫變化數據，并考慮太陽對橋梁各個部位照射角度的變化，最后綜合考慮太陽輻射、輻射換熱及對流換熱對橋梁的影響，計算橋梁的溫度效應。

4.1 夏季橋梁溫度效應分析

對橋位處夏季單個自然日中的溫度應力進行非線性連續計算，分別選取主跨跨中頂板、底板及腹板若干代表性的點進行數據提取，溫度應力點布置見圖1，單個自然日中主跨跨中截面各應力點順橋向應力變化見圖2。

圖1 溫度應力點布置圖

圖2 夏季單個自然日中主跨跨中截面各應力點順橋向應力變化圖

4.2 冬季橋梁溫度效應分析

在橋位處冬季單個自然日中的溫度應力進行非線性連續計算，單個自然日中主跨跨中截面各應力點應力變化見圖3。

圖3 冬季單個自然日中主跨跨中截面各應力點順橋向應力變化圖

5 結語

通過ANSYS 對夏、冬季兩個橋梁運營過程中經歷的極端溫度場進行非線性瞬態熱傳導分析，結論如下：

1）由于夏季熱交換環境變化程度比冬季要強，橋梁梁體內的溫度應力變化也比冬季要強（夏季應力幅值最大5.7 MPa，冬季應力幅值最大3.5 MPa）。因此，建議橋梁合龍形成最終受力體系的時間盡量選擇在橋位處全年平均氣溫出現的時間點，最大限度地減小橋梁長期運營過程中溫度應力幅值。

2）雖然夏季橋梁溫度應力變化比冬季強，但由于梁體材料的熱脹冷縮及上部結構超靜定體系的影響，冬季梁體處于溫度拉應力的時間比夏季更多，且拉應力極值也更大（夏季拉應力極值為2.0 MPa，冬季拉應力極值為2.7 MPa，極值均在箱室內表面），因此，熱交換效應更容易造成箱梁內表面的溫度裂縫。

3）JTG D60—2015《公路橋涵設計通用規范》中規定，在距離頂板以下500 mm 范圍外沒有溫差效應，而美國AASHTO規范及英國橋規BS 5400 中均考慮梁底一定高度范圍內的溫差效應，且最大溫差為3.0 ℃[4]，本次計算表明，底板溫差產生的拉應力極值相較其他部位最大，因此，建議在橋梁設計階段，酌情考慮底板區域的溫差，以減少橋梁運營階段溫度裂縫的出現。