京新高速钢板组合梁桥工字钢梁温度效应研究

2021-04-27李启成

铁道建筑技术 2021年2期

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

钢－混凝土组合梁桥是指外露钢梁或钢桁梁通过抗剪连接件与混凝土桥面板连接成整体并考虑共同受力的桥梁结构形式［1］。钢混组合梁在二十世纪五十年代开始应用于桥梁工程。到目前为止，国内外有关组合梁的研究主要集中在其静、动力性能和设计方法等方面，并取得了丰硕的成果［2］。钢混组合结构充分利用了钢材与混凝土的材料性能，极大限度地体现了桥梁设计中的高性能与经济性［3］。虽钢混组合梁桥有诸多优势，近年来动力学与静力学也取得了丰富的研究成果，但钢混组合梁桥长期暴露于自然环境中，由于空气温度变化、太阳辐射的差异，以及桥梁布置方向和所处地理位置等的不同，组合桥梁结构各部分形成不均匀的温度差异［4］，这种不均匀温度差异产生的温度效应在桥梁施工与运营阶段均会产生较大影响。经多年研究，桥梁由于温度效应产生的病害可分为三类：混凝土梁开裂、桥梁支座病害、直接导致桥梁破坏。2000年6月3日，深圳市华强立交桥A匝道主联曲线梁桥突然发生向外移动和向外侧翻转致使笋岗路东行左转华富路交通中断，经研究破坏原因为温度变化引起的累加位移问题导致支座破坏［5］。维也纳Danube第四桥忽略温度效应［6］，在合龙后的某个夜晚（1969年11月），中跨和边跨的钢梁腹板屈曲，导致桥梁无法继续使用。

据研究，极端情况下产生的温度效应甚至能超过恒载和活载，成为控制桥梁设计的第一因素［7］。同时，虽钢与混凝土的线膨胀系数分别为1.2×10－5/℃和1.0 ×10－5/℃，较为接近，但钢与混凝土的导热系数相差30倍以上，热工性能差异较大，使得钢－混凝土组合梁桥结构相比其他混凝土桥梁的温度效应问题更为复杂［8］。近年来，采用有限元软件Midas Civil对组合梁桥进行研究，常将钢板组合梁作为梁单元，忽略了钢梁的力学特性以及剪力键对组合梁桥的影响，且钢梁由于横联影响，钢梁可能处于多向受力状态，仅以正应力研究钢梁应力变化已不能满足桥梁施工及使用阶段的需要。为进一步研究温度效应对钢混组合梁桥结构的影响，本文以京新高速盆克特2号大桥主跨为50 m钢板组合梁桥为研究背景，分析了关键截面温度应力沿梁高的整体变化以及工字钢梁截面翼缘和腹板应力沿跨度的变化规律，且按照中、英、美三国规范分别规定的温度梯度作用，对比了工字钢梁跨中应力分布特征，为今后钢板组合梁桥温度效应研究提供参考。

2 工程概况及有限元模型

2.1 工程概况

京新高速公路（G7）巴里坤至木垒公路建设项目位于新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州木垒县和哈密地区巴里坤哈萨克自治县境内，是国家高速公路网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，海拔介于1 374～1 754 m之间，向两侧倾斜。地貌包括山麓斜坡堆积区、山前丘陵区、剥蚀低中山区。属大陆性冷凉干旱气候区，暖季凉爽、冷季严寒，无霜期段降雨偏少，蒸发量大，日气温变化大，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：4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全长462 m。本文研究的为50 m的主梁部分，桥宽27 m，为装配式钢板组合梁桥。其中，工字钢采用 Q345，顶板宽400 mm、厚16 mm，腹板厚16 mm、高2 434 mm，底板宽900 mm、厚30 mm；混凝土板采用厚为320 mm的C50预制混凝土板，板厚为320 mm。盆克特2号大桥主桥跨中横截面如图1所示。

图1 跨中横断面（单位：mm）

2.2 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。混凝土板采用梁单元，工字钢采用板单元，共划分为10 167个单元。钢板组合梁材料参数见表1。

表1 材料参数

3 不同规范温度梯度模型

各国家及地区由于地域、地形地貌以及气候的差异，桥梁结构竖向梯度温度的规范也不尽相同。

3.1 中国公路桥涵设计通用规范（JTG D60—2015）

中国《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）［9］在平均温度方面，考虑了气候分区、桥面板类型以及桥面铺装层厚度因素等的影响，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2，温度标准值见表3。其中，乌鲁木齐木垒县属于寒冷地区。

表2 中国规范竖向日照温差温度基数

表3 2015桥梁通用规范标准值 ℃

在日照温度梯度方面，我国参考了新西兰、英国、美国等规范，考虑到美国规范关于温度曲线的规定相对简单，计算快捷，故采用其相应的温度分布曲线，并根据我国的具体情况进行了一些改进［10］，见图2。

图2 中国规范竖向温度梯度模型

3.2 英国BS5400

英国BS5400规范规定钢－混凝土桥梁的温度梯度曲线见图3，温度取值见表4（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［11］。

图3 BS5400规范竖向温度梯度模型

3.3 美国AASHTO规范

美国规范在温度梯度方面也采用双折线的温度梯度模式［12］，其温度梯度模型见图4。

图4 美国规范竖向温度梯度模型

温度基数取值根据桥梁所在位置进行分区，全国共分为四个区域，见表5。

表5 美国规范竖向日照温差温度基数

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。

4 结果分析

4.1 工字钢梁应力分析

本文分别研究工字钢梁截面应力沿跨度的变化规律以及工字钢梁截面应力沿截面高度的变化规律。分别取翼缘板顶板（fla-top）、距顶板120 mm处腹板（web-0.12）、距顶板840 mm 处腹板（web-0.84）、距顶板1 560 mm处腹板（web-1.56）、距顶板2 280 mm处腹板（web-2.28）以及翼缘板底板（f la-bot）作为研究点，分析其应力分布情况，研究点分布情况见图5。

图5 工字钢梁研究点位示意

（1）工字钢梁应力－跨度分析

组合梁在升温温度梯度作用下，各研究点截面正应力随跨度分布见图6。

图6 截面正应力随跨度变化曲线

从图6可以发现，在升温温度梯度作用下，工字钢梁正应力在翼缘板与腹板呈现相同的分布规律，均在支座处取得较小值，且不同截面高度处应力值均接近零；在跨中取得最大值，上翼缘板跨中拉应力取得最大值为10.9 MPa，下翼缘板跨中压应力取得最大值2.69 MPa。在升温温度梯度作用下，工字钢梁正应力在梁截面上侧为拉应力，下侧为压应力。在升温温度梯度作用下，上侧拉应力数值明显大于下侧压应力数值。

在降温温度梯度作用下，工字钢梁应力沿跨度分布规律与升温温度梯度作用下分布规律基本相同，区别在于在降温温度梯度作用下，工字钢梁正应力在梁截面上侧为压应力，下侧为拉应力。

（2）工字钢梁应力－梁高分析

选取支座与跨中截面为研究工字钢梁应力沿梁高分布规律的关键截面。组合梁工字钢在温度梯度作用下，各研究点有效应力随梁高分布见图7。

图7 应力沿梁高分布规律

从图7可以看出，在升温温度梯度作用下，工字钢梁正应力上侧呈拉应力，下侧呈压应力，分别在跨中上翼缘板和跨中下翼缘板取得最大值，最大拉应力为10.7 MPa，最大压应力为2.67 MPa。在降温温度梯度作用下，工字钢梁正应力上侧呈压应力，下侧呈拉应力，分别在跨中上翼缘板和跨中下翼缘板取得最大值，压应力最大值为5.337 MPa，最大拉应力为1.37 MPa。支座处截面在梁高为1.54 m以下部分，截面正应力未发生较大波动，当梁高超过1.54 m后，截面正应力逐渐增大，且在上翼缘板处取得最大值。跨中截面正应力近似呈线性分布，在梁高为0.5 m处，截面正应力为零。

4.2 不同国家规范下工字钢应力分析

将不同的温度梯度记为不同的工况，施加于有限元计算模型中。温度梯度曲线的温度峰值取值见表6，工况1～3根据不同的规范温度梯度取升温，工况4～6温度梯度取降温。

表6 温度工况

通过以上章节分析可知，工字钢梁跨中翼缘处为桥梁在温度梯度作用下应力最大处，所以对于不同国家规范的温度效应进行研究，主要分析在不同温度梯度作用下跨中工字钢截面上翼缘与下翼缘处应力分布，见图8。

图8 跨中截面应力柱状图

通过分析图8，可以得出以下结论：

（1）按照各国规范规定，组合梁桥在升温温度梯度作用下，工字钢梁跨中截面上翼缘为拉应力，下翼缘为压应力；组合梁在降温温度梯度作用下，工字钢梁跨中上翼缘为压应力，下翼缘为拉应力。

（2）各国规范规定下，组合梁截面在升温和降温温度梯度作用下，工字钢梁的温度应力分布规律基本相同。在升温作用下，工字钢跨中截面上翼缘的应力由大到小排列顺序为：美国＞中国＞英国；在降温作用下，工字钢梁跨中截面上翼缘应力排列顺序为：英国＞中国＞美国。在升温温度梯度下，美规的工字钢上翼缘应力明显高于中规和英规，中规与英规工字钢上、下翼缘应力基本相等。在降温温度梯度作用下，英规的工字钢上翼缘应力明显高于中规与美规。