混凝土连续刚构桥温差应力有限元分析
2014-08-27宋香娥宋秋娥魏斌
宋香娥+宋秋娥+魏斌
（1.北京第二外国语学院基建处，北京 100024；2.京煤集团物业管理公司，北京 102300；
3.北京昊华能源公司京东方能源投资有限公司，北京 100015）
摘要：文章通过建立混凝土连续刚构桥有限元物理和数学模型，并与工程实例相结合，对不同温度梯度模式下温差在施工控制中对桥梁线型及受力的影响进行了分析。研究结果表明不同温度梯度模型对主梁变形有较大影响，尤其对最大悬臂端，如果设计时对梯度温差考虑不足的话，很可能会造成梁端部下挠大于设计计算值，从而造成全桥合拢及线形控制的困难。
关键词：桥梁工程；预应力连续刚构；有限元方法；温度梯度；应力及变形
中图分类号：U448文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）22-0023-03对于大跨度连续梁桥来说，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移等构造措施来消除因常年缓慢变化的年温差导致桥梁产生的纵向位移；而对于连续刚构桥，由于梁的纵向位移受到了与其固结的主墩的约束而使得主墩墩身会产生较大的弯矩，温度变化加大了对钢构桥梁结构的受力与变形影响，这种影响随温度梯度的变化而变化。箱形截面梁悬臂施工控制的两个最重要的方面是线型控制和应力控制，而温度是影响这两个方面的重要因素。
1混凝土连续刚构桥温差应力有限元分析
1.1连续刚构桥工程实例
水磨湾特大桥位于少林寺至洛阳高速公路K21+910m处。该桥主桥为预应力混凝土连续刚构桥，跨经组成为65+110+65＝240m，空心薄壁式桥墩、钻孔灌注桩基础。上部结构为单箱单室断面，顶板宽度为12.75m，底板宽度为6.5m，箱梁根部梁高6.0m，跨中及边跨合拢段梁高为2.3m，箱梁底板下缘按二次抛物线变化。主桥主梁采用三向预应力体系：纵向预应力氛围顶板束、底板束边跨合拢钢束三种，采用ASTM-92标准的15Φj15.24mm的270级钢绞线，OVM15-15锚具，张拉力为2930kN；竖向预应力采用Φj32mm的高强精轧螺纹粗钢筋，YGM锚具，张拉力为452kN；横桥向预应力采用ASTM-92标准的3Φj15.24mm的270级钢绞线，BM15-3锚具，张拉力为586kN。
1.2计算物理模型
水磨湾特大桥的静力计算采用空间有限元分析程序（Midas/Civil），其计算物理模型如图1所示。全桥共划分为78个单元，其中主梁划分为66个单元，主墩划分为12个单元。悬臂浇筑桥梁结构施工阶段定义与实际施工阶段划分一致，如图2所示。
图1有限元计算物理模型
图2计算模型—悬臂浇筑施工节段划分
2温度梯度模式
为了分析梁内温度应力和应变在不同温度梯度模式作用下的变化情况，本文选择了六种温度梯度模式来计算施工过程中预应力混凝土连续刚构桥最大悬臂阶段在不同施工阶段时温度应力及应变的变化情况。
梯度模式1：箱梁腹板和底板无温差，桥面板均匀升温，温差为5℃，按照《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥梁设计规范》（JTJ023-85）温度梯度模式。
梯度模式2：桥面板表面的最高温度取20℃，按照我国《公路桥涵通用设计规范》（JTGD60-2004）温度梯度模式。
梯度模式3：按照美国AASHTO规范对温度梯度的规定建立的温度梯度模式，这种模式与我国《公路桥涵通用设计规范》（JTG D60-2004）的温度梯度模式差别主要是在截面厚度为200mm的底板上采用从0℃～2.5℃的线性温度增长。
梯度模式4：按照英国BS5400规范升温时的温度梯度建立的模式。
梯度模式5：温度梯度是一高为1200mm的五次抛物曲线，混凝上表面温度取为32℃，在截面200mm厚的底板上运用0℃～1.5℃的线性温度增长，这种梯度模式与新西兰的规范相似。
梯度模式6：该温度梯度模式是根据实测结果提出的，这种模式与我国铁路规范的温度梯度模式相近。
图3主梁上下缘应力对比
3计算结果分析
在六种模型下最大悬臂施工阶段时主梁上下缘应力对比图如图3，应力单位为MPa。
由图3可见，由模型3与模型2产生的主梁上缘应力基本保持一致，而产生的下缘应力却差别挺大，原因是模型3与模型2相比，区别在于模型3考虑了底板的升温，而模型2未考虑。由模型3、4、5产生的下缘应力连续性比较差，其原因是这三种模型都考虑了底板升温。
图4主梁1/4截面应力分布
最大悬臂阶段，六种温度梯度模型引起的主梁1/4截面的应力沿梁高的分布如图4所示。
由图5及表1可见，不同温度梯度模型对主梁变形也有较大影响。尤其对最大悬臂端，模型5与模型1引起的端部竖向位移相差37mm多，而实测端部竖向位移也有26mm。由梯度升温引起的主梁水平伸长量，模型5最大，为13.84mm；模型1最小，为3.29mm。而实测值为10.25mm，与实测值最为接近的是模型6，为13.78mm。可见，如果设计时对梯度温差考虑不足的话，很可能会造成梁端部下挠大于设计计算值，从而造成全桥合拢及线形控制的困难。因此，在连续刚构桥的施工过程中，很有必要针对梯度温差影响进行同步施工控制。当采用悬臂浇筑对预应力混凝土连续刚构桥施工时，一旦主梁合拢，结构将由原来的静定结构体系转变成超静定结构体系，并且将产生由于温度变化等因素引起的次内力。通过理论和实践证明，在大跨度预应力混凝土箱形梁桥中，特别是如连续刚构桥超静定结构体系，温度应力能达到甚至于超过活载应力，常常成为预应力混凝土桥梁产生裂缝的主因。因此，采用悬臂浇筑对预应力混凝土连续刚构桥施工时，应严格控制体系转换的温度，避免由此带来主梁破坏。
表1 跨中合拢口长度缩短实测值与计算结果对比
实测值 10.25mm
模型1 3.29mm
模型2 5.22mm
模型3 5.12mm
模型4 3.64mm
模型5 13.84mm
模型6 13.78mm
图5主梁竖向位移
4结语
通过对计算结果的对比分析，可以得出如下结论：（1）在梯度升温时，主梁上下缘都出现压应力，且上缘应力比下缘大；（2）不同温度梯度模型对主梁变形有较大影响，尤其对最大悬臂端，如果设计时对梯度温差考虑不足的话，很可能会造成梁端部下挠大于设计计算值，从而造成全桥合拢及线形控制的困难。
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作者简介：宋香娥（1975—），女，北京第二外国语学院基建处工程师，硕士，研究方向：桥梁与隧道工程。
