预应力混凝土箱型梁桥温度效应分析

2015-08-02乔阳

黑龙江交通科技 2015年2期

乔阳

(河北省交通规划设计院试验检测室)

1 前言

对于混凝土工程结构来讲，由于自然环境条件变化所产生的温度作用，一般可以分为三种类型，即:日照温度变化、骤然降温温度变化、年温温度变化。以上的几种温度作用，都是自然环境条件变化混凝土自身特性所造成的，是人们难以消除的。理论分析及实验研究表明:在大跨预应力混凝土箱梁桥特别是超静定结构体系中，温差应力可以达到甚至超过活载产生的应力，已被认为是预应力混凝土桥梁结构产生裂缝的主要原因之一，因此有必要对这些荷载进行计算分析。桥梁工程结构由于日照、骤然降温、年温变化、水化热等产生的温度作用，桥梁工程结构由于日照、骤然降温、年温变化、水化热等产生的温度作用，其不同特点可见表1 ～表2。所以桥梁结构设计、施工监控时，必须对温度作用进行详细分析，本文结合某城际铁路一座三跨57 m+100 m+57 m 连续梁桥对温度效应进行分析。

表1 不同温度模式对比表

2 工程背景

本文工程背景为某城际铁路一座预应力混凝土连续梁，桥梁跨径组合为:57 m+100 m+57 m，全长215.3 m，桥梁结构单箱单室混凝土连续梁桥。桥梁布置图如图1 所示。对该桥计算分析采用Madis/Civil 有限元软件，建立空间模型模拟。全桥离散单位130 个，节点131 个。主要计算截面如图2 所示，空间有限元模型如图3 所示。

图1 桥梁布置图

图2 主要计算截面

图3 Midas Civil 有限元模型图

3 温度作用下主梁的内力和变形分析

3.1 结构整体升降温对结构内力和变形的影响

根据设计文件，考虑整体升温20 ℃和整体降温15 ℃两种情况，全桥进行空间有限元分析。图4 ～图6 为整体升温和整体降温作用下结构的内力和位移计算结果。

图4 整体升温和整体降温作用下主梁位移

图5 整体升温和整体降温作用下主梁上缘应力

图6 整体升温和整体降温作用下主梁下缘应力

由图4 ～图6 可以看出，箱梁结构整体升温20 ℃，除支点截面附近外，主梁中跨和边跨均表现为上拱，但中跨上拱值较大，跨中上拱最大值达到2.5 mm，边跨上拱最大值为0.2 mm;整体降温15 ℃，除支点截面附近外，中跨和边跨均表现为下挠，中跨跨中下挠最大值达到－2.0 mm，边跨下挠最大值为－0.2 mm。整体升温20 ℃和降温15 ℃所产生的箱梁截面应力较小，上缘应力最大值为0.24 MPa(升温20 ℃)，发生在跨中截面，下缘应力最大值为－0.39 MPa(升温20 ℃)，发生在跨中截面;箱梁上下缘应力变化情况相反。

综上所述，整体升降温作用引起的结构应力、挠度均较小，对结构基本没有太大影响;但在整体升降温作用下，桥梁所产生的挠度施工监控也应适当考虑。

3.2 日照和寒潮不均匀温度梯度作用下结构的内力和位移变化

该桥横向计算考虑日照和寒潮两种情况，日照和寒潮两种温度模式考虑梁体外部和内部的温度差，梁体顶底板、腹板按相应非线性温度梯度考虑。日照和寒潮计算模式如图7 所示。图8 ～图12 为日照和寒潮作用下结构的内力和位移计算结果。

图7 温度横向作用日照和寒潮计算模式

图8 日照作用下主梁上缘应力

图9 日照作用下主梁下缘应力

从图8 ～图12 可以看出，在日照作用下主梁截面左右侧变化规律基本一致。在日照模式作用下，边跨范围内主梁右侧上缘应力受拉，最大0.83 MPa，中跨范围内主要受压，最大压应力－0.35 MPa，左侧上缘全范围内受压，最大压应力－1.95 MPa。左侧上缘应力均大于右侧上缘应力，最大差值1.67 MPa。对于下缘应力，左侧除跨中30 m 范围内受拉，其余受压，最大拉应力0.61 MPa，最大压应力－3.03 MPa。右侧边跨部分受拉，部分受压，中跨基本全范围受拉，最大拉应力发生在跨中2.44 MPa，最小压应力在边跨支点处，为－1.20 MPa 。左侧下缘应力均大于右侧下缘应力，最大差值1.83 MPa。左侧上下缘应力均比右侧大，与横向温度分布有关，左侧温度为10 ℃，右侧为5 ℃，结构在左侧引起了较大的压应力。

从图10 ～图11 可以看出在寒潮作用下主梁左右侧上下缘应力值基本一致。上缘应力全范围受压，最大压应力发生在中跨跨中，为－0.63 MPa。下缘应力处桥墩左右两侧部分受压，其余均受拉。最大拉应力3.92 MPa。寒潮温度作用下，主要在结构下缘产生较大拉应力。左右侧上下缘应力一致，和寒潮作用模式相应，梁截面温度上下左右均对称分布，所以主梁截面应力一致。