温度作用对小半径曲线梁桥的内力影响研究

陈大江

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

温度作用对小半径曲线梁桥的内力影响研究

陈大江

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

研究表明，温度作用是曲线梁桥破坏的主要原因之一，文章以某小半径曲线梁桥作为研究对象，以单纯扭转理论为基础，通过有限元计算方法，分析结构在整体温度作用下的内力及变形规律，得出一般性结论，为曲线梁桥结构的设计提供参考。

曲线梁桥；温度作用；单纯扭转理论；有限元

0 引 言

在高速公路及城市道路的建设中，根据各种道路线形的需要，曲线梁桥得到了广泛的应用，该桥型不仅能够适应复杂条件下的地形地物，且线形流畅，具有一定的美学价值。随着使用年限的增加，在各种不利因素的影响下，越来越多的曲梁结构出现了一定的病害，针对这些病害的研究表明，温度作用是曲梁结构破坏的主要原因之一[1-4]。

在整体温度荷载的作用下，曲线梁各个微小弧段会产生一定程度的收缩或膨胀，该段梁体结构在变形后截面仍保持平截面不变，半径发生一定改变，但圆心角不变[5-6]，从而导致了曲梁结构发生相应的轴向及径向位移，同时产生一定的结构内力。

小半径曲线梁桥计算理论目前最为常用的有单纯扭转理论及翘曲扭转理论[2，5]，理论和实验结果表明，对于预应力混凝土曲线梁结构，由截面翘曲效应所产生的的截面应力，相比于基本弯扭应力值要小得多，一般小于5%～10%[2，5，7]，因此，一般情况下，除了壁厚较薄或宽跨比较小的混凝土箱梁外，均可按照单纯扭转理论进行计算，其计算误差在工程设计容许范围内。本文以某小半径曲线梁桥为研究对象，以单纯扭转理论为基础，建立有限元模型，分析温度作用下的曲线梁桥的受力特性，提出曲梁结构在温度作用下的结构变形及内力特征，为曲梁结构设计提供一定参考。

1 工程概况及总体模型

本文以某一互通的A匝道桥第一联为研究对象，该联位于曲线段，桥梁道路中心半径为185 m，为预应力混凝土箱梁结构，桥跨布置为5×25 m，梁高采用1.6 m，单箱单室结构，桥梁的跨中横断面如图1所示。

图1 桥梁跨中横断面

依据单纯扭转理论假定基础[2，4-5]，采用桥梁通用有限元软件Midas Civil对桥梁上部结构建立空间梁元模型，共划分为135个6自由度空间曲杆梁单元，桥梁模型如图2所示。

图2 桥梁结构模型

为了准确反映温度作用对桥梁结构整体内力及变形的影响，拟定了三种温度效应工况，即：方案一：整体升温25 ℃；方案二：整体升温10 ℃；方案三：整体降温20 ℃。

分别计算上述三种方案的结构变形及内力，通过对比分析，得出一般性的结论。

2 计算结果分析

根据桥梁的支座布置形式及特点，结合前述的理论研究，温度作用仅对结构的平面位移及横向受力影响较大，对结构的竖向弯矩及扭矩影响不大[2，8]，因此，本次计算重点分析结构整体升降温对结构的平面位移及支反力的影响。

三种荷载温度设置方案对曲梁结构横向弯矩、轴向位移、径向位移的影响的计算结果如图3～图5所示，对曲梁结构的支座径向力的影响如表1所列。

图3 不同温度作用下桥梁结构的横向弯矩分布

图4 不同温度作用下桥梁结构的轴向位移

图5 不同温度作用下桥梁结构的径向位移

表1 不同温度下内侧支座径向力 kN

图3显示了箱梁在温度荷载作用下，会发生一定数值的绕z轴的横向弯矩，随着箱梁整体所受到的温度作用的增大，梁体受到的横向弯矩呈增大趋势，在整体升温25 ℃时，产生的最大横向弯矩值可达到2 500 kN·m。

图4显示了箱梁所产生的轴向位移值与距固定支座的距离呈线性分布，升温时，梁体沿固定支座朝两端具有伸长的趋势，降温时，梁体相对固定支座产生一定的收缩。随着温度作用的变大，结构纵向的位移值也随之相应增大。

图5显示了箱梁在温度荷载的作用下，梁体以固定支座为基点，产生同方向变形的趋势，由于本桥所有内侧支座均限制了箱梁的径向位移，这一作用产生的位移值较小，但同样显示了温度荷载作用下的结构径向位移趋势，且在支座的约束下，会产生一定的径向水平反力，其影响数值如表1所列。

3 结 论

(1) 箱梁在温度荷载作用下会产生一定的横向弯矩值，该数值会随着温度荷载的变大而增加，在温度变化值达到一定数值时，所产生的横向弯矩较大，不可忽视，在设计时应将该点影响作为控制因素进行考虑。

(2) 曲梁结构在升降温时，会产生较大的轴向位移值，设计时应着重考虑由于温度作用而产生的伸缩量。

(3) 在全桥布置抗扭支撑且内侧设置限制径向位移的支座情况下，其径向位移较小，对结构较为有利，但会产生一定的支座径向力。因此，建议在条件允许的情况下，小半径曲线梁桥应全桥设置抗扭支撑或限制径向位移的下部结构，但需要考虑径向力对下部结构的影响。

[1] 范立础.桥梁工程[M]. 北京: 人民交通出版社,2001.

[2] 孙广华．曲线梁桥计算[M]. 北京: 人民交通出版社,1997.

[3] 钟守砚．混凝土曲线连续箱梁桥温度效应分析[D].西安：长安大学,2013．

[4] 高岛春生．曲线梁桥[M]．张德礼译.北京: 中国建筑工业出版社,1979．

[5] 邵容光,夏 淦．混凝土弯梁桥[M]. 北京: 人民交通出版社,1996.

[6] 郭伟健．混凝土曲线箱梁桥温度效应分析[J]. 河南城建学院学报,2010(1):22～24.

[7] 朱 琳．预应力混凝土曲线梁桥抗扭设计分析[D].武汉：武汉理工大学,2006．

[8] 包中学．墩小半径曲线梁桥收缩徐变和温度效应研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2008．

2016-09-22；修改日期：2016-09-28

陈大江(1986-)，男，安徽凤阳人，硕士，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司工程师．

U448.42

A

1673-5781(2016)05-0604-02