成桥阶段横向温度梯度对预应力混凝土连续T形梁桥的影响

王文飞

摘要：文章以某典型高速公路在建预应力混凝土连续T型梁桥为研究对象，采用abaqus有限元软件对桥梁成桥阶段进行温度场和温度应力分析，并与现行公路桥涵设计通用规范的温度梯度曲线、以及它们引起的温度应力进行比较。研究结果表明：成桥阶段，规范倾向于不考虑主梁底部的温差，在实际工程中对于地面反射率较大的地区，是否适用有待商榷;规范应适当考虑因日照产生的横向温差，随着日照时间的延长，横向温差带来的横向温度效应对降低横向抗拉强度是可观的。

关键词：横向;温差;温度应力

引言

桥梁长期处于露天环境中，在太阳辐射条件极端的地区，日照温度作用的影响甚至超过恒载和活载成为主要控制作用，对桥梁的正常使用造成较大的危害。当采用斜率不同的折线温度梯度去计算温度应力时，根据前人的论文及结合温度应力计算理论易知，结果是相差很大的。人们对各类桥梁的温度场都有不同的研究，成果如下。2009年，Dongening Li从几何方面探讨了变截面混凝土箱梁的温度效应，它认为由于横向温差效应的原因，所以不能忽略尺寸较大的箱梁所带来的横向温度效应。2012年，鉴于美国规范只对竖向温度梯度做了规定，Jong-Han Lee通过一些混凝土梁试验得到了横向温度梯度的结果。 2016年，聂利英结合现场实测数据，再利用数学中的最小二乘法，拟合出了梁肋的横向正、负温度梯度，并结合有限元软件计算了考虑横向温度梯度时的效应，并且和不考虑时进行了对比。雷洛、李国平对规范中未明确指出的同时铺装有沥青混凝土和水泥混凝土桥面的梯度温度取值进行了探讨。通过重新设定计算温度值，解决了难以直接考虑铺装混凝土层参与受力的问题。虽然前人对温度场和温度应力进行了大量研究，但一般局限于箱梁，对T梁的研究较少。 新版公路桥规只是对混凝土铺装和沥青铺装情况进行了单一的规定，新增了箱梁因截面特性而产生的横向温差，但对施工阶段的无铺装情况没有涉及，也没有考虑不同地区的实际情况。鉴于此，本文着眼于成桥阶段，以预应力混凝土连续T形梁桥为研究对象，对以上规范待完善的地方进行了讨论。本文以30m+30m+30m在建预应力混凝土连续梁桥为背景工程，采用abaqus有限元软件预应力混凝土梁桥进行瞬态温度场分析，采用间接法分析T梁标准截面的温度场和温度效应。六面体单元采用20节点二次传热六面体单元，四面体单元采用10节点二次四面体单元，先进行热分析，然后加上约束条件，将单元类型转换为热应力单元，进行温度应力分析。

一、成橋阶段直射腹板与规范温度场比较

公路桥规在横向温度梯度方面的规定是并不全面的，一方面其未考虑太阳直射梁腹板产生的影响，另一方面也缺乏其他截面（如T梁等）桥梁的横向温度梯度规定。而欧洲结构规范则明确规定了应考虑因腹板受太阳直射而产生的水平向温差。本文为了分析梁的最不利横向温差及横向日照温度梯度与竖向梯度的相似性，取腹板方位角为0度的情况，即梁腹板一侧受到的太阳辐射最大。采用公路桥规的竖向温度梯度基数值作为参考进行横向梯度温度场研究。

根据自己利用abaqus软件建模计算的结果可知，横向和竖向的温度梯度曲线规律基本上没有多大差别，都为折线型;但温度差异的最大值是有区别的，经历6小时的日照，横向就可以达到46.7004℃的温差，即使日照时间只有2h，温差也达到了27.0284℃。所以当太阳的辐射非常大的时候去进行施工，时间上小于2h的时侯，按规范来计算横向温度梯度所带来的效应勉强是可行的;但一旦大于2h时，用规范的温差去考虑横向温度效应是非常不安全的。

二、成桥阶段直射腹板与规范应力场比较

远离太阳辐射垂直照射面一定距离，由于温度恒定，温度效应应等于0.但根据弹性理论力和位移的关系式可知，一旦有强迫位移的产生，由于整体劲度矩阵的作用，相应的就会有力的产生。在实际工程中，由于桥面板、腹板和横隔板之间的相互约束，远离腹板垂直照射面的地方的强迫位移是不为0的，自然温度效应也不为0，但具体是多大，有多大影响，下面就此进行讨论。

日照影响深度一般为0.4m，同样用abaqus分析可知在远离太阳辐射垂直照射面的区域，规范横向温度梯度带来的横向温度应力很小，处于0～0.0046Mpa之间，基本可以忽略对横向抗拉能力的影响。但实际情况是随着照射时间的延长，远离太阳垂直照射面的区域拉应力也迅速增大，横向温度应力处于0～0.75Mpa之间，对于轴心抗拉强度设计值只有1.83Mpa的C50混凝土来说，对于横向抗拉有较大影响。此外，对于预应力连续T梁桥来说，一般倾向于配置纵向预应力筋来抵消纵向拉应力，横向只配构造钢筋，这也让我们应该考虑横向温度效应的影响。

三、结论

（一）成桥阶段，对于温度场在腹板底部出现了拐角三角形，对于这部分温差，规范倾向于不考虑，这是否合理，对于日照时间较长的地区，还需要更深入的研究;把公路桥规中的温度场和有限元分析得到的温度场带入到热应力分析中得到的温度应力进行比较，由规范建议的温度梯度曲线得到的温度应力是满足要求的。

（二）公路桥规对于横向温度梯度相应规定主要针对的是箱梁这种类型的桥梁，对于宽翼缘的桥梁来说，规范这样考虑可能是合适的，但对于窄翼缘、太阳辐射强烈、日照时间较长的情况来说，规范的做法是否还合适，这值得商榷;日照垂直照射腹板时，远离太阳辐射的垂直照射面一定距离，规范温度场带来的横向温度应力很小，处于0～0.0046Mpa之间，几乎可以忽略。但对于实际工程中，随着太阳垂直照射时间的延长，这些地方得到的横向温度应力对于降低横向抗拉能力是可观的，横向温度应力处于0～0.75Mpa之间，与规范相差两个数量级。

参考文献：

[1]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社，1991

[2]Dongning Li，Marc A.Maes.Walter H.Dilger.Evalution of temperature of confederation bridge：Thermal loading and movement at expansion joint[A].Structures Congress，2008.ASCE 2008。

[3]Jong-Han Lee. Investigation of Extreme Environmental Conditions and Design Thermal Gradients during Construction for Prestressed Concrete Bridge Girders[J].Journal of Bridge Engineering，2012，17 （3 ）：547-556。

[4]聂丽英，刘明坡，朱倩，李杰.基于实测的混凝土箱梁腹板横向温度效应研究[J].世界桥梁.2016，3

[5]雷洛，李国平.考虑混凝土铺装层作用的桥梁梯度温度取值方法[J].中外公路，2015，35（06）：186-189.

作者单位：重庆交通大学土木学院