温度荷载对大跨度连续刚构桥的影响

蔡春奎 耿波

摘要：温度应力对预应力混凝土桥梁的危害在近30年来越来越受到重视并得到深入研究。理论分析和研究均已证明，在大跨度预应力混凝土箱形梁桥中，特别是超静定结构体系，已被认为是预应力混凝土梁桥产生裂缝的主要原因。根据规范要求，对石柱县某大跨度连续刚构桥进行温度荷载分析，分析比较在不同温度荷载作用下的内力分布情况。

关键词：连续刚构；有限元分析；温度荷载；非线性

0、前言

随着桥梁理论、技术、施工工艺的不断发展，桥梁结构的截面形式更多及其，跨度更大。连续刚构桥具有刚度大、稳定性好、桥下净空大、养护费用低等特点，在跨大河峡谷的桥型选择中极具优势[1]。

为了了解桥梁结构的温度效应，国内外学者通过现场试验、模拟对比等一系列方法，对一些桥梁结构做了大量的工作。为往后的研究奠定了坚实的基础。而本文主要通过石柱县预应力混凝土连续刚构桥为例，根据规范要求，考虑均匀荷载作用和梯度荷载作用对大跨度桥梁的影响。

温度荷载，现称温度作用，对于静定结构来说只有温度自应变和温度自应力。对于超静定结构来说存在多余约束，还会产生由多余约束引起的温度次应变和温度次应力。研究发现，温度荷载在预应力混凝土桥梁结构中产生的温度应力有时大到超过了混凝土的容许拉应力，甚至比结构所受的活荷载产生的截面应力还要大。国内外的众多学者在研究很多桥梁的破坏事故以后也认为，日福射、大气温度及其他某些外界因素的日过程在桥梁结构内产生的温度应力是造成桥梁破坏的主要原因[234]。因此，在桥梁设计和施工过程中必须重视温度效应带来的影响，对温度效应进行研究显得尤为必要。

温度影响一般包括两种部分：年温差影响与局部温差影响。所谓年温差影响，指气温随季节发生周期性变化时对结构物所引起的作用。一般假定温度在构件内均值变化；对无水平约束的结构如简支梁、连续梁等，年温差只引起结构的均匀伸缩，并不导致结构内温度次内力（活着温度应力）；对结构的均匀伸缩收到约束时，年温差将引起结构内温度次内力，如拱式结构、框架结构及部分斜拉桥结构，如下图1所示。而局部温差影响，一般指日照温差或者混凝土水化热等影响。混凝土水化热引起结构内的温度变化，问题较为复杂，但可在施工中用温度控制的方法予以调节。目前在各国规范中，桥梁温度应力计算一般不包括此项影响，在此亦不讨论[56]。

我国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）将桥梁结构处于自然环境中所受的温度作用分为两种，梯度温度作用和均匀温度作用[7]。

温度梯度温度梯度是指当桥梁结构在受到日照辐射的影响之后，主梁截面温度沿梁高变化的形式。温度梯度模式大致可以分为两类：线性温度变化和非线性温度变化两种[8]。如下图2所示。对于该建设项目，箱梁的温度梯度按照《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004）第4.3.10.3取值。正温度梯度T1=14℃，T2=5.5℃；负温度梯度T1=-7℃，T2=-2.75℃。

均匀温度作用是指桥梁结构在受到日照辐射的影响之后，主梁截面温度整体上升、整体下降的形式。根据当地相关勘察资料可得出具体数据。按照工程实例，结构体系升温为20℃，结构体系降温取-20℃。

以下将以石柱县预应力混凝土连续刚构桥为例，重庆市石柱县S302线沿溪大桥属于三峡工程后续规划基础设施建设项目，位于石柱县沿溪镇与忠县复兴镇交界的长江口支流沿溪河上，处于石柱垫江公路（即S302线）K90+090.00，南距石柱县城85KM，北距第二港西沱古镇25KM，东距湖北利川150KM，与忠县现成相距13KM。

沿溪大桥全长270KM，设计桥型为（70+120+70）m预应力混凝土钢构连续桥。桥梁全宽为12.5m，其中9.0m行车道，两侧各1.75m人行道。主梁采用C50混凝土，主墩才用C40混凝土。全桥总体布置图如下图3所示：

1、计算方法及模型

1.1 计算方法

本文主要采用Midas有限元软件，根据我国《公路桥涵设计通用规范》对该模型的温度荷载进行分析，主要分为四个工况，分别为整体温降和梯度温度共同作用、单独梯度温度作用、仅单独整体温降作用以及不考虑温度荷载作用，比较这四个工况作用下的内力分布情况，分析温度荷载对大跨度连续刚构桥的影响，如下表1所示。

1.2 计算模型

利用Midas进行计算。全桥离散为平面杆系单元、共120个节点，105个单元。

其中永久荷载包括混凝土结构自重、混凝土收缩与徐变、预应力等；活载考虑车道面、人群、温度荷载等。而这里我们仅从以下四个工况来讨论温度荷载对结构内力的影响，计算模型如下图4所示。

1.3 结果分析

本结构模型有105单元，这里我们仅考虑上部结构的内力分布情况，由于单元节点过多，考虑篇幅问题这里我们仅选取端点、1/4节点、中间、3/4节点处的内力进行比较。

从软件Midas中我们可以看出该模型中温度荷载对扭矩、剪力-y、弯矩-z不产生影响。同时提取轴向力、剪力-z、弯矩-y相关数据，以工况一作为基础比较其他三种工况相对于工况一的差值百分比。如下表1.1—表1.3所示。

（1）通过以上模型试验，对该大跨度连续刚构桥而言，结构整体升降温对结构扭矩，Y方向剪力，Z方向弯矩均不产生影响。

（2）从该模型中可以看出，由于整体温降没有结构模型中产生过大的多余应力，整体温降对整个模型的内力变化不是很大，可以控制在10%以内。

（3）通过以上模型试验，对该大跨度连续刚构桥而言，由于规范才用线性温度梯度的添加方式，温度梯度对结构扭矩，Y方向剪力，Z方向弯矩均也不产生影响。

（4）从以上数据可以得出，针对于该模型，相对于整体温降而言，温度梯度对结构模型内力影响较大，最高可以达到30%。

（5）由于在该模型中整体温降和线性温度梯度都是才用简单的线性添加方式，可以得出综合考虑温度梯度和结构整体升降温对结构的影响为单独考虑结构整体温降对结构的影响和单独考虑温度梯度对结构的影响之和。

（6）相对于国内外学者通过现场试验、模拟对比等一系列方法，本试验仅考虑了简单的整体温降和线性温度梯度对结构的影响，而从该数据中也可以看出温度荷载对结构模型内力影响较大，为大跨度连续刚构桥的安全使用带来了很大的安全隐患，应当给与重视。

【参考文献】

[1] 贺小春.矮墩刚构预应力混凝土连续箱型梁桥的温度效应研究[D]. 湖南：长沙理工大学，2013.

[2] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社，1991，10-120.

[3] 魏光坪.单室预应力砼箱梁温度场及温度应力研究.西南交大学报，1989（4）.

[4] F.凯尔比克著，刘兴法等译.太阳辐射对桥梁结构的影响[M].中国铁道出版社，1981.

[5] 刘兴法.预应力混凝土箱梁日照温度应力与位移计算，土木工程学报，1986.

[6] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[7] 范立础.桥梁工程[M].人民交通出版社，2012.

[8] 李春早.大跨度预应力混凝土连续刚构桥静力分析与温度效应研究[D]. 湖南：长沙理工大学，2012.

[9] 李帅.大跨度连续刚构桥日照温度场及温度效应研究[D]. 四川：西南交通大学，2013.