基于不同规范下的钢板组合梁桥温度效应对比分析

李启成

(中铁二十一局集团第一工程有限公司 新疆乌鲁木齐 830026)

1 引言

理论分析和研究发现，温度梯度作用作为桥梁的主要活荷载之一，在大跨度预应力混凝土箱梁特别是超静定结构体系中，温度效应在一定程度上对主梁内力的影响超过汽车荷载[1]，甚至在分析桥梁内力时成为主要控制因素。因此，忽略温度梯度对主梁内力的影响会对桥梁的耐久性和运营造成极大的危害[2]。如德国 Jagst厚腹板箱梁桥运营后不久，其箱梁出现了较大裂缝，经分析温度产生的应力高达2.6 MPa；新西兰一座高架桥由于梁截面温差的影响主梁出现严重裂缝，修复时耗费大量的资金[3]。在我国，由于受到日照温度影响后，桥梁上部结构产生温度梯度造成主梁开裂现象时有发生，如漓江二桥、通惠河连续梁桥和九江长江大桥等由于温度效应导致的应力变化使箱梁产生开裂[4]。因此，自20世纪70年代以来，温度效应对于桥梁结构的理论研究有了更进一步的发展。有学者根据温度沿截面在竖向的变化情况，提出了温度场的变化规律以及温度梯度的数学模型[5-6]。

为了更精确模拟温度沿梁截面竖向的变化规律，各个国家地区的桥梁规范采用不同的温度梯度模式，如5次抛物线、三折线、指数曲线等[7]。有学者通过对比各个国家地区不同温度梯度模式，对混凝土桥梁主梁的应力影响程度的大小进行研究。与混凝土桥梁不同的是，钢-混凝土组合梁桥其混凝土和钢的线膨胀系数大致相同，但钢材的导热性好，传热快，对于温度变化的反应较快。当大气温度骤变时，钢板很快能接近大气温度，而混凝土对于环境温度变化的适应性较慢。因此，不同温度梯度模式下，钢-混凝土组合梁桥主梁的温度效应影响需要进一步进行对比分析。本文以京新高速盆克特2号大桥主跨为50 m钢-混凝土组合梁桥为研究背景，采用国内外几种规范所规定的温度梯度模式进行分析对比，为今后同类型桥梁的温度效应研究提供参考。

2 不同规范下的温度梯度模式

各个国家地区由于其地域、地形地貌以及气候的差异，对于桥梁结构竖向梯度温度的规范也不尽相同。

(1)英国BS5400

英国BS5400规范规定钢-混凝土桥梁的温度梯度曲线如图1所示，温度取值如表1(桥面铺装厚度为100 mm)。该规范对桥面铺装类型未加以区分，对温度梯度曲线受铺装厚度的影响有所考虑[8]。

表1 英国BS5400竖向日照温差温度基数

图1 BS5400规范竖向温度梯度模型

(2)美国AASHTO规范

美国规范同样采用双折线的温度梯度模式，其温度梯度模型如图2所示[9]。

图2 美国规范竖向温度梯度模型(单位:mm)

温度基数的取值根据桥梁所在位置进行分区，全国共分为四个区域，表2给出了基准温度的取值。

表2 美国规范竖向日照温差温度基数

美国规范在计算负温度梯度时，如果桥面为素混凝土，温度取值为各地区温度基数的-0.3倍；如果为沥青混凝土，则温度取值为各温度基数的-0.2倍。

(3)新西兰规范

新西兰桥梁设计规范规定的温度梯度曲线与其他各国不同，曲线采用一条高1.2 m的五次抛物线(见图3)，混凝土表面的温度与沥青厚度d有关，该曲线适用于腹板。对于封闭箱室上部的顶板采用抛物线变化，对于下底板，200 mm范围内采用线性变化。图3中，T0＝(32-0.2d)，℃；d为沥青铺装厚度，mm；Ty＝T0(y/1 200)5，℃[10]。

(4)欧洲规范

欧洲规范规定钢-混凝土桥梁的温度梯度模式采用两种方式:一种为普通模式，完全采用BS5400规范，如图1所示；另一种采取一种简化的温度梯度模型，如图4所示[11]。

图3 新西兰规范竖向温度梯度模型(单位:mm)

图4 欧洲规范竖向温度梯度简化模型

(5)中国公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)

中国规范考虑了气候分区、桥面板类型及桥面铺装层厚度等因素的影响，将全国分为三个区:严寒地区、寒冷地区、温热地区。平均温度的有效温度取值见表3，温度标准值见表4[12]。

横向验算：长细比λ=h/i=1350/15.8=85.44，查《钢结构设计规范》中表可知：φ=0.692；主体支架承受均布荷载为Q系支=98.91kN/m2，主体支架按最不利布置0.4m×0.6m计算，则一个支架框架受力F=98.91×0.4×0.6=23.74kN=23740N；则F/（φA）+σm=23740/（0.692×489）+55=125.16MPa＜KA×KH×f=0.85×0.99×205=172.51MPa；故系梁横向满足要求，是安全的。

表3 中国规范竖向日照温差温度基数

表4 2015桥梁通用规范标准值 ℃

温度基准值根据桥梁铺装分为三种，按表3取值，负温差采用正温差的-0.5倍。对组合梁，采用钢梁内温度均匀、混凝土板内为双折线的温度梯度，如图5所示。

图5 中国规范竖向温度梯度模型

3 模型计算及结果分析

3.1 工程概况

京新高速公路(G7)巴里坤至木垒公路建设项目是国家高速公路网G7北京至乌鲁木齐国家高速公路的重要组成部分。项目区属天山山地，年平均气温2.7℃，极端最低气温为-43.4℃。

盆克特2号大桥位于京新高速巴里坤至木垒段K227＋556.5处，全桥共4联，即4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全长462 m。本文研究50 m的主梁部分，桥宽27 m，为装配式钢板组合梁桥。盆克特2号大桥跨中和支座横断面如图6所示。

图6 跨中横断面(单位:mm)

3.2 有限元计算模型

借助MIDAS Civil有限元分析软件，建立有限元模型，共划分为10 167个单元。本模型中上部结构预制混凝土板采用C50混凝土，弹性模量Ec＝3.45×104MPa，混凝土容重为ρ＝25.49 kN/m3，泊松比υ＝0.2；工字钢采用Q345，弹性模量Ec＝2.06×105MPa，钢材容重为ρ＝78.50 kN/m3，泊松比υ＝0.3。

将不同的温度梯度记为不同的工况，施加于有限元模型中。温度梯度曲线的温度峰值取值见表5。工况1～5根据不同规范温度梯度取升温，而工况6～9温度梯度取降温。将不同的温度梯度工况输入有限元模型进行应力及挠度分析。

表5 不同规范温度梯度峰值取值

3.3 组合梁应力计算结果计算分析

根据表5不同规范温度梯度作用取9种工况进行预制混凝土板上、下缘应力比较，应力工况分别取预制混凝土板支座、L/4、L/2(L为桥梁跨度)位置为关键截面。不同工况下的应力比较见表6，表中应力以拉为正、压为负。

由于该钢板梁桥为50 m跨径的简支梁桥，在温度梯度作用下，桥梁沿跨径方向混凝土板的顶底板应力在同一工况下基本相同。根据已设工况对板跨中上、下缘应力进行比较，见图7。

图7 板跨中应力比较

表6 不同工况下预制混凝土板应力 MPa

由表6及图7可知:

(1)在阳光照射作用下，不同规范组合梁升温温度梯度下，混凝土板上缘表现为压应力，下缘表现为拉应力；降温温度梯度下，组合梁混凝土板上缘表现为拉应力，下缘表现为压应力。

(2)不同规范组合梁截面升温和降温温度梯度作用下，混凝土板的温差应力分布规律基本相同。在升温作用下，混凝土板上缘最大应力排列顺序为:美国规范＞中国规范＞英国规范＞欧洲规范＞新西兰规范；在降温作用下，混凝土板上缘最大应力排列顺序为:美国规范＞欧洲规范＞中国规范＞英国规范。对比在正温度梯度作用下，美国规范最大值和新西兰规范最小值(跨中板上缘应力)分别为-4.52 MPa和-1.16 MPa，而中国规范为-2.82 MPa，与欧洲规范和英国规范相差不大。对于梁截面温度梯度降温，同样美国规范温度梯度产生(跨中板顶)的拉应力最大，其值为2.42 MPa，其次是欧洲规范为2.27 MPa，中国规范和英国规范值较小，分别为1.41 MPa和0.84 MPa。

(3)从降温和升温两种作用下混凝土板上、下缘应力分析，按照美国规范规定，产生的温度应力最大，按照中国与英国规范产生的温度应力值较为接近。

3.4 组合梁挠度计算结果分析

分别取预制混凝土板L/4、L/2位置为关键截面，同样采用9种工况进行计算。混凝土板挠度计算结果见表7。挠度以竖直向上为正、竖直向下为负。

表7 不同工况下板的挠度计算值 mm

工况1～5采用不同规范下的温度梯度温升模式，工况6～9采用温度梯度温降模式。其挠度曲线见图8。

图8 混凝土板挠度

通过表7及图8在不同工况下混凝土板的挠度比较，可以得到以下结论:

(1)各国规范截面温度梯度模式作用下组合梁所产生的变形规律基本一致，挠度呈近似抛物线形，以梁跨中为对称轴呈中心对称。

(2)各国规范规定下，截面升温温度梯度组合梁最大挠度值按照大小排列为:美国规范＞中国规范＞英国规范＞欧国规范＞新西兰规范；截面降温温度梯度组合梁最大挠度值按大小排列为:美国规范＞英国规范＞欧洲规范＞中国规范。对比升温作用下，挠度最大的美国规范和挠度最小的新西兰规范，其跨中挠度值分别为11.79 mm和6.25 mm，而中国规范下板的跨中挠度为7.88 mm，略高于欧洲和英国规范；在降温作用下，跨中挠度最大的仍然是美国规范，其值为5.98 mm，而中国规范下板的跨中挠度最小，仅为3.94 mm。

4 结论

(1)受日照升温、骤然降温和年温变化的影响，不同国家对温度梯度的规定存在较大差异，主要表现在几个方面:部分国家考虑了降温时温度梯度对结构的影响，而部分国家未考虑；部分国家对温度梯度划分了数个区域；部分国家考虑了上层铺装对温度梯度的影响。

(2)结合京新高速公路盆克特2号主桥50 m钢混组合梁桥建立有限元模型，针对各国不同温度梯度模式进行计算，得出正、负温度梯度作用下组合梁桥混凝土板的应力。可以发现，以美国规范对温度效应的考虑最为保守，跨中板上缘在正、负温度梯度作用下其应力为-4.52 MPa和2.42 MPa，而采用中国规范的温度应力介于最大的美国规范和最小的英国规范之间，美国规范在温度梯度作用下应力效应要大于中国规范。此外，不同规范的温度梯度对结构的影响规律基本相同，在升温作用下，混凝土预应力板上缘呈压应力，下缘呈拉应力；降温作用下混凝土预应力板上缘呈拉应力，下缘呈压应力。

(3)通过有限元计算得出的挠度结果分析，温度效应对桥梁的挠度影响以美国规范最为保守，跨中挠度在正、负温度梯度下分别为11.79 mm、-5.98 mm。在正温度梯度作用下，以新西兰规范跨中挠度值最小，为6.25 mm；负温度梯度作用下，中国规范跨中挠度值最小，为-3.94 mm。

(4)钢-混凝土组合梁桥在温度梯度的选择和温度应力的控制对结构的使用性能至关重要，在进行结构设计时应当引起充分重视，建议必要时可以采用试验的方式来确定温度特征值。