陕西地区连续刚构桥温度梯度时变效应

钱若霖, 冯 宇

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)



陕西地区连续刚构桥温度梯度时变效应

钱若霖, 冯 宇

(长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

基于陕西关中、陕南和陕北的三座连续刚构桥的温度采集数据,进行了陕西地区连续刚构温度梯度时变效应的研究.拟合出符合陕西当地特点的温度梯度模式,并进行有限元建模,得到了该温度梯度模式下和规范下实桥模型应力及挠度,与实测数据进行对比分析,偏安全的给出了更适宜陕西地区的温度梯度模式.

连续刚构; 温度梯度; 时变效应

近几年, 连续刚构桥在陕西地区的应用日趋广泛, 陕西省共有153幅连续刚构桥, 运营的连续刚构桥73座(129幅),在建连续刚构桥13座(24幅),已成为一种重要的桥型. 温度时变效应,尤其梁截面温度梯度的变化对桥梁截面应力、挠度[1-3]、支座位移[4]以及悬臂施工合拢控制[5]的影响应引起足够重视.美国AASHTO规范(2004)将地区分为四类: 其中西部为1类区域(西北部局部为2类区域),中部为2类区域, 东部为3类区域,海岛(如夏威夷)为4类区域, 各区域温度梯度再根据铺装层情况给出不同的取值; 而我国规范仅给出统一的温度梯度模式, 未对具体某地区针对性地给出更适宜该地区的特定温度梯度模式. 对比美国规范,我国规范关于温度梯度的规定可以借鉴其区域划分的方法给出不同地区的温度梯度模式, 这一点对于我国规范的进一步改进具有参考意义[6], 我国国土面积辽阔, 有必要借鉴美国的模式进一步对各地区进行细化, 分为不同地域的温度梯度模式, 通过实测温度数据和理论分析得出适用于陕西地区的温度梯度分布规律[7-9], 从而更准确地服务于陕西地区的桥梁工程.

1 箱梁截面温度梯度拟合思路

温度数据取自分布于陕西三大地区三座连续刚构桥的实测温度,鉴于数据采集时间段的差异,遂选取三座桥重叠时间区间的温度数据进行分析处理,主要集中于2015年4月份和5月份.

图1 某桥日温度变化趋势

关中地区北环线渭河桥选取3月31日—4月25日时间段的温度数据,陕南石泉长阳大桥选取4月11日—5月11日时间段的温度数据,陕北延延黄河大桥选取5月8日—6月8日时间段的温度数据.从图1可以看出,该桥日最高温度出现在16:00左右,取每日这一时刻温度作为样本数据.

三座桥统一选取跨中截面左侧腹板竖向11个测点作为样本数据采集点.

对筛选后的各测点温度数据样本进行数理统计分析,选取其95%置信度的置信上限值作为拟合数据,以便于后续指数曲线的拟合.

对于一维温度场问题,20世纪50年代初期,前苏联学者什克罗维尔曾提出混凝土结构表面温度计算公式,但物理概念不明确,引入材料热工系数较多,且计算繁杂.后来D.A.Stephenson、M.J.N.Priestlay、刘兴法等人根据实测温度资料分析,均采用

对国内外已有实测资料分析结果也表明,沿箱梁高、梁宽方向的温差分布一般可按下式计算

故利用origin软件并选取指数函数对数据进行拟合.

2 温度梯度拟合过程

2.1 三大地区不同桥截面测点布置情况

三座桥测点均分布于截面左腹板处,测点距离上表面位置如表1～表3所示.

表1 关中地区北环线渭河桥测点位置

表2 陕南石泉长阳大桥测点位置

表3 陕北延延黄河大桥测点位置

2.2 温度梯度数据拟合

对样本数据的一组日最高温度值数据进行数理统计分析,取其置信上限值作为基础拟合数据,分析结果如表4～表6所示.

表4 北环线渭河桥测点温度数据

表5 石泉长阳大桥测点温度数据

表6 延延黄河大桥测点温度数据

利用origin软件进行拟合,拟合函数选择指数形式,横坐标为距离上表面的高度,纵坐标为温度.通过数据的指数拟合分析,可分别得出三个地区拟合函数:

关中地区:y=16.98+7.21e-0.008 57x

陕南地区:y=21.89+6.76e-0.017 94x

陕北地区:y=24.56+2.58e-0.001 447x

拟合曲线图分别如图2～图4所示.

参照规范中梯度曲线的模式,讨论日照作用对竖向高度400 mm范围内作用效应,取截面距顶板400 mm厚度范围进行梯度折线图拟合,将上述拟合曲线测点处实测温度与距离顶板400 mm处温度作差,以温度差的形式给出各测点温度的变化值,并取距离顶板100,200,300 mm处温差值进行折线图拟合,令距顶板400 mm处温度为0使折线闭合,可得折线图如图5～图7所示.

图2 北环线渭河桥拟合指数曲线

图3 石泉长阳大桥拟合指数曲线

图4 延延黄河大桥拟合指数曲线

图5 关中地区拟合温度梯度

图6 陕南地区拟合温度梯度

图7 陕北地区拟合温度梯度

3 规范和拟合温度梯度模式下实桥温度效应对比分析

为了验证所推导温度梯度模式的可行性,以关中地区拟合温度梯度为例选择实桥进行验证,桥梁选定为位于关中地区的沮河特大桥,如图8所示.主桥上部为2×(62.5+4×115+62.5)m预应力混凝土连续刚构,三向预应力体系.箱梁采用单箱单室截面,顶板宽12.0 m,底板宽6.5 m,翼缘板悬臂长为2.75 m.箱梁墩顶处截面梁高6.5 m,跨中梁高2.8 m,墩顶处截面底板厚0.9 m,跨中底板厚0.32 m;梁高及底板厚度均按二次抛物线变化.桥面铺装层为10 cm厚的沥青混凝土和8 cm厚C40混凝土.

图8 沮河桥全桥模型

选取文中所得温度梯度模式与我国已有规范下温度梯度模式,利用midas/civil建模进行两种温度梯度的模拟,将两种温度梯度分别施加在沮河桥模型如图8中,分别对不同应力与挠度的变化进行对比.规范下温度梯度模式如图9所示,拟合温度梯度采用图5梯度模式.

图9 规范下温度梯度模式

两种工况下分别取跨中及根部两个特征截面进行应力与挠度值的对比,应力取截面顶板处最大组合应力处,结果对比如表7、表8所示.

表7 不同温度梯度下特征截面应力值

表8 不同温度梯度下特征截面挠度值

由表7、表8数据可见,两种温度梯度模式下,应力值、挠度值出现成倍的变化,出入较大.与实测值相比,我国规范下应力、挠度均为30%左右的正误差,因此规范下温度梯度模式偏保守,桥梁设计时采用规范温度梯度模式是偏安全的.文中所拟合温度梯度更符合地域性特征,对温度效应的进一步研究具有参考价值.进行桥梁设计时推荐采用规范温度梯度模式,一定程度可参考以上温度梯度;而对桥梁其他方面进一步精确研究时采用以上温度梯度则更为准确,因此提出一个更符合实际区域特点的温度梯度是有很大必要性的.

4 结 论

(1) 根据三大地区实桥温度数据拟合出符合区域特点的梁截面温度拟合指数曲线,能更好地反应实际温度曲线的变化规律.

(2) 针对陕西三大地区三座桥梁给出相应的温度拟合曲线,结合曲线特点并在规范的基础上给出更具有区域特点的温度梯度模式,采用该温度梯度模式更加符合区域特征,一定程度上可以节约设计施工成本.

(3) 通过不同温度梯度下实桥应力值及挠度值与实测值的对比说明了规范下温度梯度的合理性及安全性,应力及挠度结果的差异也说明温度这一时变因素的重要性,根据区域特点给出的温度梯度模式对于桥梁的设计及施工更具有一定的参考价值.

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【责任编辑: 肖景魁】

Temperature Gradient Effect of Continuous Rigid Frame Bridge in Shaanxi

QianRuolin,FengYu

(School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

The temperature gradient effect of continuous rigid frame bridge in Shannxi was studied, after collecting the temperature data of the continuous rigid frame bridge in three areas of Shaanxi province, which were respectively located in the south, north and middle of shaanxi province. The temperature gradient model which accorded with the local characteristics of Shaanxi was fitted and the finite element model was established. The stress and deflection of the real bridge model under the temperature gradient mode and normalized model were obtained. Compared with the measured data, the temperature gradient model which is more suitable for Shaanxi region was presented.

continuous rigid frame structure; temperature gradient; time dependent effect

2016-08-01

钱若霖(1993-),男,陕西西安人,长安大学硕士研究生.

2095-5456(2016)06-0503-05

U 443.3

A