温度效应下的板桁结合钢桥局部分析

高 珍， 王福敏

(1.重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院， 重庆 400067)

0 前 言

钢桁结合梁是国内近年出现的一种新型桥梁结构，是钢桁架组合桥面板共同受力的结构。由主桁、桥面板、纵肋，铁路纵、横梁和公路纵、横梁组成。钢桥面(由桥面板和纵肋组成)不仅在桥面板与桥面系统起作用，而且还作为主梁的一部分起作用，其结构行为很复杂。因为钢材是导热性能较好的材料，在日照影响下，由于钢桥面板和主桁升温速度不同而存在温差。其原因在于主桁结构大部分是箱型杆件，板件厚度大，日照条件下仅部分迎光面接受阳光直射，构件日照面积小，加上杆件内部密封空气的作用，构件升温速度比较慢；而钢桥面板为平面板，板件厚度较小，日照条件下上表面为全部迎光面接受阳光直射，接受日照面积大，构件升温速度较快，由此产生显著的温差，导致产生较大的温差应力，对结构造成危害。

目前国内外研究板桁组合桥梁温度的文献较少，且研究主要是针对板桁结构的受力特点和计算方法。近年来钢桥桥面温度问题颇受关注[1]：英国学者Au监测研究了香港青马大桥的温度场，发现大气温度和太阳辐射强度主要影响钢桥的温度；英国学者Jones模拟计算了钢桥温度场；东南大学刘其伟等对钢-混组合箱梁沥青摊铺层温度场进行了试验研究。纵观以上的研究可知，国内外学者研究钢桥桥面的温度场还处在初步阶段。相关规范中也没有钢桁结构局部温差相关的说明，桥梁设计中对该部分的温度效应也没有考虑。目前国内规范的要求主要有：《公路桥涵设计通用规范》[2](JTGD60-2004)4.3.10中仅规定，混凝土上部结构和带混凝土桥面板的钢结构，在竖向日照条件下，顶板与主梁间的温差梯度效应；《公路桥涵设计基本规范》[3](TB10002.1-2005)4.4.4中规定，桥涵结构和构件应计算均匀温差和日照温差引起的变形和应力，温差应按当地的气候条件与建造条件确定。对于钢桥，应考虑历年极端最高与最低气温。

本文以重庆市东水门长江大桥为实例，建立工程有限元模型。

1 分析方法及温差效应的确定

实桥中桥面板、桁架等构件全部焊接成为整体，模型采用板单元模拟，焊接用共节点。本文中的计算方法均为：先求出自重、索力和温差效应共同作用下的总响应，再减去自重、索力和环境基本温度作用下的响应，得到的差值即为温差效应的响应。

本桥梁设计温度为最高+43 ℃，最低-1.8 ℃，钢结构温差按照±30 ℃考虑。

施工拼装阶段进行实际测量，由于钢桥面板裸露，受太阳直射作用，温差效应主要体现在上层桥面板和桁架之间，温差一般在6 ℃，下午13时左右温差最大，其值为19 ℃，其中下桥面板、横梁和桁架温差较小，基本在2 ℃以内，可以不予考虑，而温差较明显时环境温度大约为21 ℃。据此，环境温度取为21 ℃，上层桥面板与桁架等构件的温差取6 ℃和19 ℃，根据实测最大温差在30 ℃以内，所以取温差10 ℃和30 ℃做比较分析。

2 工程背景

重庆市东水门长江大桥采用双塔单索面部分斜拉桥的形式，全桥采用半漂浮体系。全桥桥跨布置为222.5 m+445 m+190.5 m，桥宽为24 m，桁宽为15 m，桁高为13.5 m。桥跨布置情况见图1(横断面位置及7#、8#、9#拉索用箭头标出)，典型横断面见图2。

图1 重庆市东水门长江大桥桥型布置图

图2 主梁标准断面图

图3 整体有限元模型

该大桥主桥上层桥面采用板桁结合正交异性钢桥面板，主桁主要杆件均为焊接箱形截面，每2 m左右设置一道横隔梁。

下层桥面也采用板桁结合正交异性钢桥面板，横桥向共设置两组轻轨纵梁，沿纵桥向设置横隔梁。

3 结构计算与分析

3.1 有限元模型的建立

运用大型通用有限元分析软件Midas FEA对模型的7#、8#、9#拉索(位置见图1)所在的三个节段进行了局部数值模拟分析。模型中网格的划分考虑整体模型的尺寸，线播种尺寸为0.1 m，共划分节点280 657个，单元283 878个。模型情况如图3和图4所示。

数值模拟中用到的材料如表1所示。

表1 模型材料表

(a)上层桥面有限元模型及顺桥向应力提取位置 (b) 上层桥面结构模型及提取结果的横梁标注

(c)下层桥面结构模型 (d)桁架结构模型图4 7#、8#、9#拉索所在的三个节段梁有限元模型

模型中的边界约束为：靠近7#拉索的边界为上层桥面采用固结约束，下层桥面采用竖向位移自由、其它固结的约束；靠近9#拉索边界为自由，模拟施工拼装时悬臂阶段的边界情况。

3.2 工况的确定

(1)恒荷载工况。模型中的荷载工况仅考虑自重和7#、8#、9#拉索的索力，索力分别为7 392.9 kN、7 930.7 kN、8 123.3 kN，温度荷载加为单元温度，不考虑活载等其它荷载。

(2)温度荷载工况。温度荷载工况如表2所示。

表2 桥面板和桁架局部温差效应荷载工况

3.3 计算结果及其分析

在上述局部温差荷载工况下，分析桥面板在各个温差作用下的响应。

分别以7#索和8#索节点中心为原点，提取两段板桁结合处(见图4a)的顺桥向应力，第一段横坐标以7#拉索节点中心为原点，7#索到8#索方向为正方向，得到板桁结合处的板单元顺桥向应力值，如图5所示。

第二段横坐标以8#拉索节点中心为原点，8#索到7#索方向为正方向，得到板桁结合处的板单元顺桥向应力值，如图6所示。

图5 第一段板桁结合处桥面板温差应力 图6 第二段板桁结合处桥面板温差应力

由图5、图6可知，局部温差越大，桥面板温差应力影响越明显，主要影响位置在横梁和桁架结合处的两侧，0.3 m内应力变化大，横梁两侧应力符号相反。温差6 ℃时，应力一般在0.9 MPa左右；温差19 ℃时，应力一般在2.9 MPa左右；最高温差30℃时，应力可增加5.35 MPa。由此看出，在板桁结合处由温差效应引起的应力，横梁两侧桥面板受力复杂，变化较大，但所用钢材的抗拉和抗压强度值只有205 MPa，对桥面应力影响较小。

以桥面板z坐标值为原点(横梁与桥面板结合处)，z轴向下为正方向。提取小横梁剪应力，绘制出其中三片小横梁(见图4b)的应力曲线，如图7—图9所示。

图7 第一片小横梁剪应力 图8 第二片小横梁剪应力

图9 第三片小横梁剪应力

由图7—图9可知，温差引起横梁的剪应力变化趋势基本一致，在与桁架结合的地方也随温差的增大而升高，在竖向距桥面板0.2 m以内增加较快，0.2 m以上，温差6 ℃时，横梁剪应力最大在5.7 MPa左右；温差19 ℃时，横梁剪应力一般在22.8 MPa波动；温差30 ℃时剪应力最高可达32.52 MPa。由此看出，在横梁腹板受剪应力影响较大，纵桥向剪应力的变化，可能引起相应的纵向位移，给施工拼装带来困难，而结构的温差按照±30 ℃考虑，结构目前考虑的温差效应是安全的。

以横梁剪应力为例，在第二片小横梁上选取4个点，与桥面板的竖向距离分别为0、0.2 m、0.6 m和1.2 m，分析温差与剪力的关系，结果如图10所示。

图10 各检测点的温差剪应力

从图10可以看出，随着温差的增大，温差对剪应力的影响越明显。温差19 ℃时，大约是温差10 ℃时的2倍；温差30 ℃时，大约是10 ℃时的3倍。剪应力的增长呈线性增长，而受温差影响越大的剪应力增长越快，温差30 ℃时引起很大的横梁剪应力变化，施工拼装十分不便。如果温差太大，可能引起横梁腹板的撕裂破坏。

由以上分析可见，局部温差的作用对桥梁施工造成一定的影响，而本工程桥梁设计温度在温差效应下是安全的。板桁结合结构的钢桥，在施工拼装的过程中，应严格控制局部温差，防止由于局部温差过大，影响拼装质量和桥梁的安全。

4 结 语

(1)通过局部分析，结合重庆市东水门长江大桥的实际情况，温差19 ℃时，可引起板桁结合处横梁两侧桥面板的应力2.9 MPa，最高温差30 ℃时，应力可增加5.35 MPa，主要影响位置在横梁和桁架结合处的两侧0.3 m内，横梁两侧应力符号相反，增加了此处受力的复杂程度。

(2)计算得温差6 ℃和19 ℃时，横梁腹板产生最大剪应力22.8 MPa，温差30 ℃时，产生最大剪力32.52 MPa，会产生纵向变形，增加了拼装难度，但结构安全。

(3)桥面板温差应力、横梁剪应力与温差变化成正比，随着温差的成倍增加，桥面板温差应力和横梁剪应力也成倍增加，所以要严格控制局部温差。

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