大跨度钢管混凝土拱桥温度效应研究

2010-07-27李自林刘明艳

铁道建筑 2010年8期

李自林，刘明艳，李妲

(1.天津城市建设学院土木工程系，天津 300384;2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

大部分桥梁每天都要经过一定的温度变化，这些温度变化可能对桥梁受力引起相当大的改变，在日温差较大的季节此种影响尤其明显。钢材是热的良导体，在强烈的日光照射下温度快速升高，在温度变化的作用下材料的各种性能可能会发生某些变化，由此而产生的内力对结构的受力可能会产生很大的影响。对钢管混凝土结构，由于其组合截面的特性，钢材与混凝土有着不同的材料性能，各自的受力特点也不相同，在温度变化作用下的受力情况应做重点研究。规范[1]要求在计算结构温度效应时对不同材料应采取不同线膨胀系数，陈宝春，徐爱民等[2]提出了计算合龙温度的概念，并依据试验结果得出计算拱的温度应采用日平均温度。

国内其他研究者关于桥梁温度效应的探究一直未曾间断。朱爱华，谭万忠等[3-4]对曲线梁桥的温度效应进行了分析，赵毓成等[5]对钢管混凝土拱桥的非线性温度荷载分析做了相应的研究，余明林等[6]由实测温度数据对钢管混凝土拱桥在温度荷载下的结构内力、位移等做了相应的探讨。

1 工程简介

以跨度为330 m的淳安南浦大桥为例，桥位所属区域位于中亚热带季风气候带北缘，四季分明，光照充足。年平均气温17℃，1月平均气温5℃，为最低，极端最低气温－7.6℃，7月平均气温28.9℃，极端最高气温41.8℃。有调查显示，如此大的温差变化在桥梁建设时不能忽略。

该桥为钢管混凝土拱桥，四肢桁式拱，拱肋直径为850 mm。吊杆为热挤聚乙烯高强钢丝拉索，桥面为混凝土T形梁。拱肋间由横撑和靠近拱脚处的横梁联系，位于桥面上的横撑有十三道，对称布置，拱脚处在桥面下设置拱上横梁和桥下横撑，横撑和拱上横梁分别与主拱肋连接，横撑截面为空心钢管，横梁为T形钢筋混凝土截面。

2 模型的建立

应用有限元软件MIDAS/Civil建立该桥的有限元模型，吊杆采用桁架单元模拟，其余单元均采用梁单元，拱脚处拱上横梁与桥面板连接处将实体单元简化为梁单元模拟，实体单元与梁单元的连接较复杂，为简化计算，按照受力体系将其简化为梁单元。共2 432个节点，5 378个单元。

超静定结构在温度变化时，会在拱中产生附加内力，这些附加应力有时会对拱结构内力产生显著的不利影响。

在此仅考虑均匀升、降温产生的附加内力。拱桥建成以后，若气温与主拱合龙时的气温不同，则会在拱内产生附加内力。设温度变化引起跨径方向的变位为Δlt，根据变形协调条件，必须在弹性中心施加一个水平推力 Ht，温度上升时，Ht为正(向内作用);温度下降时，Ht为负(向外作用)。如图1所示。其典型方程为

由于Ht的作用，拱各截面产生的温度内力为

式中 α——材料的线膨胀系数;

t1——拱合龙时的温度;

t2——当地最高或最低月平均温度;

E——考虑混凝土徐变后的弹性模量;

μ——泊松比。

图1 温度荷载下拱肋受力示意

3 数据分析

对钢管混凝土拱桥在温度荷载下的受力情况分析中，分别考虑桥梁整体升温、整体降温、拱肋升温、拱肋升温+桥面板温度梯度荷载，计算构件的内力分布，与结构自重作用下的内力相比较，对比温度荷载作用所带来的主拱肋截面内力数据，从而得出温度变化对结构影响的重要程度。

另外，考虑到本文所选实桥为钢管混凝土拱桥，其拱肋完全暴露在日光下，接受完全的日照，而拱脚处与主拱肋相连的横梁位于桥面板的下方，并不能受到日光直接照射，两者的温度相差较大，可能导致两者的变形差别悬殊，使拱肋与横撑的连接处可能因此而产生应力集中，因此本文考虑应对拱肋与横撑的连接处受力变化做详细考查，防止由于温度变化而产生严重的破坏性结果。

3.1 温度荷载工况及相应内力

考虑五种工况:工况1为整体升温20℃;工况2为整体降温20℃;工况3为拱肋升温15℃;工况4为拱肋升温15℃ +桥面温度梯度荷载;工况5为结构自重及预应力荷载。获得此五种工况下结构主拱肋的轴力、弯矩和扭矩情况，将前四种不同温度荷载下二分之一跨主拱肋产生的内力与结构在自重作用下的内力相比较。从拱脚到拱顶，以相同水平间距选取主拱肋节点1～31。图2～图4分别表示主拱肋 y、z方向的弯矩以及轴力，x轴表示主拱肋节点号，y轴表示相应内力值。

由图2可知，前四种工况中，工况1的数值最大，其对结构的影响更显著，在接近拱脚处甚至与工况5(结构的自重)数值接近;工况2显示在拱脚处弯矩较大，但拱肋其余部分则数值较小;而工况3和工况4在整个二分之一跨处相对数值较小，可酌情考虑其对结构受力的影响。

图2 主拱肋弯矩(面内)

由图3可知，工况1和工况2在拱肋上的变化数值相近，方向相反，在靠近拱脚处数值偏大，但其余部分数值较小，而工况3和工况4整体数值均较小，总体来说，温度荷载下主拱肋的拱脚处受力偏大，与桥梁自重相比不可忽视。

图3 主拱肋弯矩(面外)

图4 主拱肋轴力

由图4可看出:①结构整体升温下主拱肋的轴力产生最明显的增大;②而整体降温工况下轴力变化幅度则相对较小，且其曲线平缓;③工况3、4相差较小，其曲线形状相近，数值没有较大偏差，说明考虑桥面温度梯度荷载与否对主拱肋轴力的影响不大;④工况1与工况4相比较，主拱肋的轴力相差较大，则应考虑与实际情况相结合选取相应工况。

3.2 考虑拱肋与横梁温差计算连接处截面内力

该桥梁为钢管混凝土拱桥，由于构造特点，靠近拱脚处设两道拱上横梁，其截面采用空钢管，两端与主拱肋相连，位于桥面板下方，在强烈日光照射下，主拱肋及横撑等温度升高较大，但位于桥面板之下的横梁在不接受日光直接照射的情况下，主拱肋和横梁的温度差较大，拱肋与横梁变形不一致，可能会产生应力集中。本文考虑主拱肋与横梁的温差影响，计算拱肋升降温等作用下横撑与拱肋的连接处产生的内力，将各连接点的内力列于表1，表2，表3。

表1 拱肋与横梁连接处轴力 kN

表2 拱肋与横梁连接处扭矩 kN·m

表3 拱肋与横梁连接处弯矩 kN·m

由表1和表2可得，整体升、降温以及桥面升、降温荷载下各连接处轴力及扭矩偏大，但拱肋升温+桥面温度梯度荷载和拱肋升温荷载作用下各连接处的轴力和扭矩相对很小。说明考虑拱肋和横梁的温差时二者连接处的轴力会很大，整体温度的变化对其影响更显著。

由表3可得，拱肋与横梁的连接处在整体升、降温荷载作用下其两个方向的弯矩值最大，且升温与降温荷载所产生的弯矩值大小接近，方向相反，其次为桥面升温、降温所产生的弯矩值较大，拱肋升温+桥面温度梯度荷载和拱肋升温荷载下弯矩值偏小。这与表1和表2所得结果类似，即考虑拱肋与横梁温差对其内力的影响较大，而不考虑两者温差的工况下其弯矩相对很小。另外，桥面升、降温荷载作用下拱肋和横梁之间虽没有温差，但其内力仍较大，不能忽视，可能由于桥面板拱肋共同作用的结果。