溫度荷載對裝配式梁橋受力性能的影響

劉嘉欣，霍建兵，鄔曉光，方淼淼

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院 西安市 710064； 2.山西省高速公路集團有限責(zé)任公司 太原市 030000)

0 引言

我國正在運營的橋梁中有超過80%均為中小跨徑橋梁，而在這些橋梁中，主要出現(xiàn)的形式是裝配式橋梁，在役橋梁由于各種各樣的原因通常會過早地出現(xiàn)病害。通過研究在役橋梁常見病害的成因機理發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度是不可忽視的一個方面，溫度荷載會導(dǎo)致混凝土所受應(yīng)力超過極限抗拉強度，從而出現(xiàn)溫度裂縫。

近年來，許多專家學(xué)者研究了溫度荷載對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響。謝棟明等[1]對斜交T梁橋展開了研究，認為溫度荷載導(dǎo)致斜交T梁橋的跨中彎矩、剪力值過大，因此在跨中位置最容易出現(xiàn)裂縫；王宇斌[2]對我國東營地區(qū)的大橋?qū)崪y數(shù)據(jù)進行溫度梯度擬合，確定適合該地區(qū)的溫度梯度參數(shù)，得到結(jié)論，豎向溫度梯度對箱梁產(chǎn)生了較大的影響；葉兵劍[3]研究了混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫的形成機理，其中很重要的一種為溫度裂縫，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)性開裂；陳曉東[4]對依托工程進行了溫度撓度現(xiàn)場試驗，最終認為撓度主要由環(huán)境溫度變化所引起；李帥[5]通過現(xiàn)場實測的太陽輻射下的上部單室箱梁的溫度場，證明了在太陽輻射作用下，豎向溫差很大，必須著重考慮；劉昌運[6]仔細研究了溫度荷載對箱梁的作用效應(yīng)，認為溫度梯度曲線的選取能夠嚴重影響箱梁橋的應(yīng)力與撓度。

之前關(guān)于溫度梯度的研究大多為鋼混結(jié)構(gòu)、大跨徑橋梁、鋼桁架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在中小跨徑橋梁中研究較少。研究了溫度荷載對中小跨徑裝配式梁橋受力性能的影響，建立ANSYS有限元模型，分別研究了整體升降溫以及溫度梯度作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力以及變形情況。

1 工程背景及有限元模型的建立

1.1 工程背景

選取裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為依托工程，其上部結(jié)構(gòu)形式為15×25m，分為5×25m+5×25m+5×25m，寬度方向小箱梁的數(shù)量為4，箱梁高為1.40m，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，地震基本烈度為Ⅶ，地震動峰值加速度為0.15g。選擇一聯(lián)箱梁，對其進行ANSYS建模分析。主梁采用C50混凝土，混凝土彈模為3.45E4MPa，泊松比為0.2，密度為2600kg/m3，軸心抗拉強度設(shè)計值為2.65MPa，軸心抗壓強度設(shè)計值為32.4MPa。預(yù)應(yīng)力鋼束彈模為1.95E5MPa，泊松比為0.3，密度為8005kg/m3，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1860MPa，張拉控制應(yīng)力為1395MPa。

1.2 有限元模型的建立

利用ANSYS進行模型的建立，本研究混凝土采用SOLID65實體單元模型，預(yù)應(yīng)力鋼筋單元采用LINK8桿單元模型，在不考慮鋼筋滑移的前提下，建立了兩種單元的位移轉(zhuǎn)換矩陣，進而導(dǎo)出包含預(yù)應(yīng)力鋼筋貢獻的預(yù)應(yīng)力混凝土組合單元剛度矩陣。利用嵌入式組合剛度的概念，在單元劃分時不必考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的布束方式，預(yù)應(yīng)力鋼筋單元可隨意穿過混凝土單元，這為解決預(yù)應(yīng)力鋼筋單元節(jié)點預(yù)加力向?qū)嶓w單元節(jié)點荷載轉(zhuǎn)換、考慮混凝土收縮徐變效應(yīng)對預(yù)加應(yīng)力的影響提供了一種行之有效的技術(shù)手段。梁體的幾何模型如圖1所示，劃分單元后梁體的有限元模型如圖2所示，劃分完單元后預(yù)應(yīng)力鋼束的有限元模型如圖3所示。

圖1 幾何模型(局部)

圖2 有限元模型模型(局部)

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼束有限元模型

2 計算工況以及關(guān)鍵點的確定

2.1 計算工況的確定

在橋梁施工和運營過程中，溫度應(yīng)力對橋梁的影響是不可忽視的，根據(jù)溫度的變化對橋梁結(jié)構(gòu)的作用，可將變化主要劃分成兩類：

(1)日照溫差(主要考慮的溫度梯度)

由于混凝土材料基本的特性，在長時間受到溫度變化以及日照溫差的影響下，造成混凝土橋梁表面的溫度迅速上升。但是由于混凝土材料的導(dǎo)熱性能較差，使得橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)外部溫度分布不均勻，使得小箱梁橋梁會形成較大的溫度效應(yīng)。在溫度影響下，橋梁產(chǎn)生不同的溫度變形。在橋梁支座的約束下會產(chǎn)生不同的應(yīng)力。溫度梯度不僅與橋梁截面形式、尺寸以及橋面鋪裝材料的厚度以及特性有關(guān)，還與當(dāng)?shù)氐娜照諒姸?、橋梁所處的地區(qū)位置、大氣條件等因素相關(guān)。在模擬混凝土橋梁的溫度效應(yīng)時，通常根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)設(shè)計，采用圖4所示的豎向溫度梯度曲線。

圖4 中國橋規(guī)公路橋涵溫度梯度曲線

其橋面板表面的最高溫度T1規(guī)定見表1。當(dāng)混凝土橋梁梁高H小于400mm時，按照規(guī)范A=H-100mm；當(dāng)梁高H等于或大于400mm時，A=300mm；對帶混凝土橋面板的鋼結(jié)構(gòu)，A=300mm。

表1 橋面溫度梯度取值

(2)體系溫差即整體升溫以及整體降溫

對于作用在橋上的體系溫差，首先是要假定溫度影響的線性變化，即溫度變化曲線沿箱梁的截面高度方向均勻變化。靜定結(jié)構(gòu)的體系溫差只會造成結(jié)構(gòu)的變位，不會引起結(jié)構(gòu)出現(xiàn)溫度次應(yīng)力；但是對于超靜定結(jié)構(gòu)來說，溫度荷載會同時導(dǎo)致溫度次內(nèi)力出現(xiàn)。體系溫度通常情況是按橋梁所處地區(qū)的月平均最高和最低溫度來確定，年溫變化是一種隨年氣溫變化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)平均溫度的變化，長期溫度作用下可以忽略溫度場在空間位置上不均勻性，將其表示為一個函數(shù)，只與時間相關(guān)。

根據(jù)查閱資料可知：該橋所在地區(qū)氣候為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫8.8℃，一月零下7℃，七月23℃。按照所了解到的實際情況，取環(huán)境溫度為8.8℃，整體升溫14.2℃，整體降溫15.8℃來模擬結(jié)構(gòu)的整體升降溫。研究溫度荷載對T梁受力性能的影響時，具體可以分為以下幾個工況：

工況Ⅰ：無溫度作用。

工況Ⅱ：溫度梯度作用。

工況Ⅲ：整體升溫14.2℃。

工況Ⅳ：整體降溫15.8℃。

2.2 控制截面以及關(guān)鍵點的確定

任意一點的空間應(yīng)力狀態(tài)由六個應(yīng)力分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx組成，根據(jù)最大拉應(yīng)力強度理論，混凝土是否開裂取決于最大主拉應(yīng)力。因此主要研究箱梁順橋向的各控制截面的主應(yīng)力分布情況，按照常見的規(guī)定，受拉為正、受壓為負。

主要控制截面選取：邊跨1/4截面(1)、跨中截面(2)、3/4截面(3)；次邊跨支點截面(4)、1/4截面(5)、跨中截面(6)、3/4截面(7)；中跨支點截面(8)、1/4截面(9)、跨中截面(10)、3/4截面(11)。關(guān)鍵點取主要控制截面的上緣、下緣中點。

3 溫度荷載對裝配式橋梁受力性能的影響

3.1 對應(yīng)力的影響

在不同工況，即不同溫度荷載作用下，各控制截面的上、下緣應(yīng)力數(shù)據(jù)，如表2所示。

由表2可以繪制出各控制截面的上下緣應(yīng)力在不同工況下的應(yīng)力折線圖，如圖5、圖6所示。

由表2、圖5、圖6數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：

圖5 控制截面上緣應(yīng)力折線圖

圖6 控制截面下緣應(yīng)力折線圖

表2 控制截面應(yīng)力上下緣應(yīng)力統(tǒng)計表(單位：MPa)

(1)在溫度梯度作用下，控制截面的上緣應(yīng)力均有明顯的增大，其中5號截面應(yīng)力增長最為明顯，應(yīng)力達到了22.972MPa，接近混凝土的極限抗壓強度；控制截面的下緣應(yīng)力均有明顯減小，其中支點截面4出現(xiàn)了拉應(yīng)力，大小為0.1348MPa，對結(jié)構(gòu)受力不利。

(2)在整體升溫荷載作用下，全部截面上緣壓應(yīng)力均出現(xiàn)減小現(xiàn)象，其中截面3、截面4、截面5、截面7、截面8、截面9、截面11應(yīng)力減小較為明顯，最多減小1.843MPa，其余截面應(yīng)力增長不明顯；下緣壓應(yīng)力出現(xiàn)增大現(xiàn)象，其中截面1、截面2、截面3、截面5、截面6、截面7、截面9、截面10、截面11應(yīng)力增大較為明顯，其余截面應(yīng)力增長不明顯。

(3)在整體降溫荷載作用下，全部截面上緣壓應(yīng)力均出現(xiàn)增大現(xiàn)象，其中截面3、截面4、截面5、截面7、截面8、截面9、截面11應(yīng)力增大較為明顯，最大增加1.243MPa，其余截面應(yīng)力增大不明顯；全部截面下緣壓應(yīng)力均出現(xiàn)減小現(xiàn)象，其中截面1、截面2、截面3、截面5、截面6、截面7、截面9、截面10、截面11應(yīng)力減小較為明顯，最多減小0.398MPa，其余截面應(yīng)力減小不明顯。

3.2 撓度的影響

在不同工況，即不同溫度荷載作用下，各跨跨中豎向撓度見表3。

表3 各跨跨中撓度統(tǒng)計表(mm)

由表3可以繪制出各跨跨中撓度折線圖，如圖7所示。

圖7 各跨撓度變化線

由表3、圖7數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)論：

(1)在溫度梯度作用下，邊跨跨中撓度增大明顯，次中跨跨中撓度略微減小，中跨跨中撓度略微增大。

(2)在整體升溫荷載作用下，邊跨、次邊跨、中跨撓度增大，增大幅度相同；在整體降溫荷載作用下，邊跨、次邊跨、中跨撓度減小，減小幅度相同。

(3)整體升降溫對橋梁結(jié)構(gòu)受力以及變形造成的影響較小，且變化均勻；而溫度梯度會對橋梁結(jié)構(gòu)的受力以及變形造成很大的影響，且影響情況比較復(fù)雜。

4 結(jié)論

研究了溫度荷載對預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式橋梁受力性能的影響，按照溫度梯度、整體升溫、降溫幾個工況，賦予ANSYS模型不同類型的溫度荷載，從而得到控制截面關(guān)鍵點在不同工況下的應(yīng)力、撓度數(shù)值，繪制曲線進而得到以下結(jié)論：

(1)溫度梯度與整體升、降溫對橋梁結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的作用效果是不同的。整體升、降溫對橋梁結(jié)構(gòu)受力以及變形造成的影響較小，且變化均勻；而溫度梯度會對橋梁結(jié)構(gòu)的受力以及變形造成很大的影響，且影響情況比較復(fù)雜。

(2)溫度梯度對結(jié)構(gòu)受力的影響較整體升溫、整體降溫更大，因此一定要考慮溫度梯度的作用。