温度对桥梁结构内力的影响分析

2018-03-08向木生张文涛

交通科技 2018年1期

向木生张文涛

(武汉理工大学交通学院武汉 430063)

近年来，预应力混凝土在大跨度桥梁结构中得到广泛应用。在设计、施工、测量等过程中，温度是设计中需考虑的内容，如浇筑及养护过程中混凝土水化热产生的结构内、外温差，日照作用下结构表面升温等都是温度变化的因素，因此，在结构设计计算、桥梁施工控制和结构测试时应充分考虑温度对桥梁结构状态的影响。

以某大桥为例，根据桥梁温度场的分布规律，建立箱梁悬浇阶段和成桥状态下的温度引起的结构状态变化模型，进行温度对箱梁应力和挠度影响的计算与分析，讨论温度效应的重要性。

1 箱梁竖向温度场

1.1 温度梯度模式

目前主要的温度梯度模式有：①英国BS5400；②美国荷载规范；③新西兰桥梁规范；④我国《公路桥涵设计通用规范》[1](以下简称《桥规》)。

我国《桥规》温度梯度模式是在对其他3种模式进行多座桥梁的应力计算比较基础上，采用美国规范的温度梯度曲线，并做相应调整后得到的，温度梯度曲线见图1，其温度计算基数见表1。

图1 中国《桥规》温度梯度曲线

表1 竖向日照温差计算的温度基数 ℃

1.2 温度分布规律

日照作用下，混凝土结构温度分布规律见图2，竖向温差分布规律[2-3]为

t(y)=t0ye-Cyy

式中：t0y为顶板、底板温差，通常取15 ℃，竖向温差计算时取20 ℃；Cy为指数系数，通常取10；y以m计。

图2 温度分布规律

2 温度效应计算与分析

2.1 实例工程概况

某桥是省道改建工程中的一座大桥。主桥采用移动挂篮逐节悬浇施工，边跨现浇段搭支架浇筑。主桥上部结构为40 m+5×70 m+40 m的三向预应力混凝土连续箱梁，箱梁截面采用单箱单室。桥型布置见图3。

图3 桥型布置图(单位：m)

2.2 温度效应结构计算建模

利用midas Civil有限元结构计算软件，建立温度效应结构计算模型，温度梯度模式采用我国《桥规》。由于该桥是三向预应力混凝土连续箱梁结构，采用悬臂施工方法，因此，为分析温度对箱梁结构的影响，考虑2个较大的施工阶段建立温度效应结构计算模型：①建立悬臂施工阶段模型，分别选取各节段张拉后箱梁结构状态建模，如图4a)，b)，c)分别为第1，5，9阶段张拉后结构计算模型，依次对应第1节段悬臂、1/2悬臂及最大悬臂阶段状态；②全桥合龙张拉完成后，建立全桥模型，见图5。全桥共划分146个单元。

图4 悬臂阶段结构计算模型

图5 全桥合龙后计算模型

建模分析时，仅考虑竖向温度变化对箱梁上部结构的影响，未考虑横向、纵向温差对结构及桥墩温度效应对箱梁上部结构的影响。

2.3 温度变化对箱梁应力影响分析

为形象描述箱梁各节段位置，图6示意了其中一个桥墩(7号墩)处箱梁一端各节段位置(或截面位置)与编号。从7号墩至跨中依次为0～9号块，共10个节段，其中0号块箱梁长10 m，1～5号箱梁长3 m，6～9号块箱梁长3.5 m。

图6 7号墩处箱梁各节段平面示意图

1) 悬浇阶段根部应力分析。温度效应结构计算时，采用非线性温度梯度，分别考虑了顶板升温Δt=5，10，20 ℃ 3种工况，计算分析了温度变化对根部箱梁顶板(1截面)应力的影响[4]。

在箱梁施工的悬臂阶段，温度对预应力混凝土连续箱梁结构应力的影响计算结果见表2。

表2 温度对根部顶板应力影响变化表

由表2可见，各阶段的温度变化对根部顶板应力均有一定影响，且在同一工况下，随着悬臂段长度的增加，应力变化增大；随着内外温差的增大，应力变化也在增加。

2) 全桥合龙后应力分析。在全桥合龙后，温度对预应力混凝土连续箱梁结构根部顶板应力的影响计算结果见表3。上、下缘温度应力沿桥纵向变化规律见图7。

表3 温度对根部顶板应力影响变化表

图7 温度(Δt=5 ℃)对全桥应力影响变化曲线

由图7可见，温度变化对箱梁各截面应力有一定影响，特别是在箱梁跨中截面影响较大。当温度升高时，箱梁上缘主要为压应力，下缘主要为拉应力。跨中截面上缘压应力峰值达1.38 MPa，下缘拉应力峰值达1.75 MPa。

2.4 温度变化对箱梁挠度影响分析

计算温度效应时，采用非线性温度梯度，分别计算顶板升温Δt=5，10，20 ℃ 3种工况下温度变化对箱梁各截面挠度的影响。并考虑最大悬臂段(9号块)张拉阶段，顶板降温10 ℃时，温度变化对箱梁各截面挠度的影响。提取升温与降温(Δt均为10 ℃)的有限元计算结果，见表4、表5。

表4 升温工况挠度变化(10 ℃) cm

表5 顶板降温时挠度变化(10 ℃) cm

为直观反映温度对箱梁挠度的影响，提取升温模式各工况下，9号块张拉阶段各截面挠度变化值以及表5数据。分别从升温及降温分析温度变化对箱梁各截面挠度的影响，见图8。

图8 温度变化对挠度的影响

结果显示，挠度受温度影响较大。由图8a)可见，升温模式各工况下，挠度值随截面与支座距离的增加而逐渐增大，且温度变化越大，挠度负增量越明显(向下)，当Δt升20 ℃时，挠度峰值达-1.64 cm；由图8b)可见，降温模式下，箱梁挠度正增长(向上)，具有与升温模式变化曲线反向的规律，越靠近支座，挠度变化越小，当Δt降10 ℃时，挠度峰值达0.62 cm。