边界约束对钢-混组合结构桥面系温度梯度效应的影响研究*

王达，王海柱，付井平

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南长沙 410004）

边界约束对钢-混组合结构桥面系温度梯度效应的影响研究*

王达1，2，王海柱1，2，付井平1，2

（1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南长沙 410004；2.桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室，湖南长沙 410004）

钢-混组合桥面系的边界约束条件有一定的特殊性，有别于其他组合结构。为确定模型计算时边界约束对钢-混组合桥面系的影响，文中以某钢-混组合桥面系为研究对象，运用ANSYS有限元程序建立精细化有限元计算模型，分析连续结构和简支结构两种边界约束条件对钢-混组合结构桥面系温度应力的影响。结果表明，中国JTG D62-2004规范中的竖向温度梯度模型及参数取值与美国AASHTO规范有明显差异，在温度效应计算时应对中国规范中取值按地区差异进行调整；在相同温度梯度条件下，采用连续结构约束的结构对应的温度应力更为均匀。

桥梁；钢-混组合结构桥面系；约束条件；温度梯度；温度应力

钢-混组合结构桥面系因其自重轻、刚度大和易于运输等特点被广泛运用于峡谷、山区等地区大跨度桥梁中，因所在地区地理条件复杂、温差变化较大，其温度梯度分布较为复杂。钢-混组合桥面系在自然环境中必定受到日照温差的影响，当温差较大时，随之产生的温度应力分布较为复杂，会导致钢-混结合部出现开裂等情况，其危害不容忽视。

由于中国在温度梯度方面的研究较晚，在修订规范时参考美国AASHTO规范《Load and Resistance Factor Design，Bridge Design Specifications》，但在温度梯度模型及参数取值方面两者存在一定差异。虽然中国的国土面积和纬度与美国较为接近，但气候变化与美国有较大差异，如西藏地区与沿海地区相比，日照强度、温差变化等都有较大差异。而JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中全国都是采用一样的温度梯度基数，很难反映日照温差的地域差别。同时，在建立模型时采用何种约束条件对温度梯度效应也有一定影响。因此，在钢-混组合结构计算时采用何种规范及何种约束条件使计算结果更为合理，有待进一步研究。该文采用ANSYS有限元软件对具体算例分别按照中、美规范进行温度效应分析，同时比较不同约束条件对温度效应的影响，使对钢-混组合结构桥面系温度梯度效应的求解更加精确。

1 中、美规范温度梯度取值

1.1中国规范取值

根据JTG D62-2004，取图1所示梯度温度模式，其相关温度基数见表1（正温度梯度，负温度梯度为正温度梯度的-0.5倍）。

图1　JTG D62-2004中的竖向梯度温度（单位：mm）

砼结构和带砼桥面板的钢结构的竖向负温差为正温差的-0.5倍。对于砼结构，当梁高H＜400mm时，A=H-100；当梁高H≥400mm时，A为300mm。对于带砼桥面板的钢结构，A为300mm。

表1　JTG D62-2004中的竖向温度基数℃

1.2美国规范取值

美国AASHTO规范中没有区分不同材料类型桥梁梯度温差模式的不同，只是统一按照图2所示模型进行取值，根据美国不同的地理位置将全国分为4个区域，规定每个区域的温度基数。在计算负温差时，若桥面为素砼，则温度基数的取值在表2相应区域正温差基数上乘以-0.3；若桥面为沥青砼，则温度基数的取值在表2相应区域正温差基数上乘以-0.2。

表2　美国AASHTO规范中的温度基数℃

2 中、美规范温度梯度效应算例分析

2.1算例简介

某大跨度悬索桥纵梁为工字形截面，桥面采用沥青砼结构。为了方便实验室建立实体模型，计算模型按1：4的比例建立。模型分为3个节间，每个节间1.6 m，全长4.8 m。砼板宽1.58 m、厚6 cm，工字钢腹板厚5mm，翼板厚6mm，腹板高16.5 cm，上翼板宽95mm，下翼板宽75mm。砼桥面一次现浇而成，通过剪力键将砼桥面系与工字钢连成一个整体，达到共同受力的状态。

采用ANSYS有限元软件对该算例分别按照中、美规范中的温度模式进行应力计算，计算过程中剔除结构自重效应的影响。建模时，砼采用Solid69单元、工字钢采用Shell157单元模拟。整个模型共分为70 131个节点、54 720个单元（如图3所示）。

图3　计算模型

2.2中国规范计算结果分析

参考图1、表1所示竖向温度梯度模型及参数定义，分简支结构和三跨连续结构两种约束条件。正温差时T1取16.4°C，T2取5.98°C，钢梁部分的温度为4.76°C；负温差时对应参数取值为正温差的-0.5倍。应力计算结果如图4、图5和表3所示。

图4　JTG D62-2004升温应力计算结果（单位：Pa）

图5　JTG D62-2004降温应力计算结果（单位：Pa）

从表3可以看出：1）简支结构约束条件下，正温差对应的极值应力在工字钢处，最大拉、压应力分别为15.2和17.00 MPa；砼板的最大拉、压应力分别为2.16和2.50 MPa，拉、压应力基本处于C40砼的设计强度范围内。负温差对应的最大拉、压应力发生在工字梁之上，分别为8.51和7.62 MPa；砼的拉、压应力极值分别为1.25和1.08 MPa。2）连续结构约束条件下，正温差对应的极值应力在工字钢处，最大拉、压应力分别为12.8和4.25 MPa；砼板的最大拉、压应力分别为1.97和3.74 MPa。负温差对应的最大拉、压应力也发生在工字梁之上，分别为2.13和6.38 MPa；砼的拉、压应力极值分别为1.87和0.98 MPa。

在简支结构约束条件下，砼正温差竖向温度梯度对应的最大拉、压应力分别为2.16和1.08 MPa，在连续结构约束条件下砼正温差竖向温度梯度对应的最大拉、压应力分别为1.97和0.98 MPa，后者为前者的0.5倍，正温差与负温差之间效应值的比例关系与JTG D62-2004规定的正负温差之间-0.5的系数一致。

2.3美国规范计算结果分析

基于美国AASHTO规范，结合图2和表2所示计算模型及取值，可得出4个区域的正温差及负温差竖向温度参数取值：1区温度参数T1为30℃，T2为7.8℃，下部钢结构部分的温度为6.24℃；2区温度参数T1为25℃，T2为6.7℃，下部钢结构部分的温度为5.36℃；3区温度参数T1为23℃，T2为6℃，下部钢结构部分的温度为4.80℃；4区温度参数T1为21℃，T2为5℃，下部钢结构部分的温度为4.00℃；各自对应的负温差温度梯度参数取值是在上述温度参数的基础上乘以-0.2的系数。

结合图3所示有限元计算模型，对AASHTO的正温差及负温差竖向温度梯度效应进行计算，约束条件分为简支结构与三跨连续结构。部分应力计算结果如图6、图7和表4～7所示。

图6　美国1区升温应力计算结果（单位：Pa）

图7　美国1区降温应力计算结果（单位：Pa）

从表4～7可看出：1）当约束条件为简支结构时，在正温差竖向温度梯度作用下，砼桥面板拉应力极值变化范围为3.1～4.34 MPa，压应力极值变化范围为3.7～5.16 MPa；工字钢的拉应力极值变化范围为22.3～31.2 MPa，压应力极值变化范围为25.0～34.9 MPa。在负温差竖向温度梯度作用下，砼桥面板拉应力极值变化范围为0.74～1.03 MPa，压应力极值变化范围为0.62～0.87 MPa；工字钢的拉应力极值变化范围为5.00～6.98 MPa，压应力极值变化范围为4.46～6.23 MPa。2）当约束条件为连续结构时，在正温差竖向温度梯度作用下，砼桥面板拉应力极值变化范围为2.81～3.95 MPa，压应力极值变化范围为5.58～7.77 MPa；工字钢的拉应力极值变化范围为19.5～27.1 MPa，压应力极值变化范围为6.30～8.78 MPa。在负温差竖向温度梯度作用下，砼桥面板拉应力极值变化范围为1.12～1.55 MPa，压应力极值变化范围为0.56～0.79 MPa；工字钢的拉应力极值变化范围为1.26～1.76 MPa，压应力极值变化范围为3.91～5.42 MPa。

在正温差中，两种约束条件下砼桥面板最大拉应力均超过C40砼的抗拉设计强度允许值，砼桥面板可能出现裂缝。简支约束条件下工字钢拉、压应力极大值的相对值最大差距达到67 MPa，而连续结构约束条件下工字钢拉、压应力极大值的相对值最大差距只有35.88 MPa，约束条件为连续约束时其应力分布较为均匀，不易出现局部应力过大现象。

表4　美国1区应力计算结果MPa

表5　美国2区应力计算结果MPa

表6　美国3区应力计算结果MPa

表7　美国4区应力计算结果MPa

3 结论

（1）中国JTG D62-2004规范关于地区差异的特征并不十分明显，对应的计算结果差异较大，在采用该规范计算温度效应时，应结合当地的实际气候情况对规范中的温度参数取值进行调整。

（2）相比简支结构，温度效应对连续结构产生的应力分布更为均匀，不易出现局部应力过大情况。

（3）计算正温差的温度梯度效应时，采用美国AASHTO规范，砼桥面板及工字钢可获得最大拉、压应力；计算负温差的温度梯度效应时，采用中国规范，砼桥面板及工字钢可获得最大拉、压应力。

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U441

A

1671-2668（2016）05-0147-05

国家重点基础研究发展计划（973）项目（2015CB057701）；国家自然科学基金资助项目（51308071）；湖南省自然科学基金资助项目（13JJ4057）；湖南省高校创新平台开放基金项目（12K076）；国家留学基金委资助项目（201408430155）；交通运输部应用基础研究项目（2015319825120）

2016-03-06