水苏沟钢桁-混凝土组合连续梁温度效应

任文辉 寇越 马彦阳 李洁 徐淑亮 董林劭 孟祥乾

（1.中铁建陕西高速公路有限公司，陕西 西安 710000；2.长安大学，陕西 西安 710000；3.中铁十四局集团第三工程有限公司，山东 济宁 272100）

钢-混凝土组合桥梁充分利用了钢结构良好的抗拉特性和混凝土良好的受压特性，具有自重轻、施工快捷、刚度大等特点，在国内得到广泛的应用。但钢-混凝土组合梁中混凝土与钢材的导热系数相差过大，由此造成钢梁和混凝土桥面板之间存在较大的温差，这种温差会在结构中产生较大的温度应力和变形，对桥梁结构造成的影响不容忽视。

随着钢-混凝土组合梁在中国的推广应用，组合桥梁温度场的研究也逐渐展开。石家庄铁道大学赵品等人通过对某波形钢腹板连续箱梁桥进行温度效应观测，提出了波形钢腹板箱梁温差计算模式及其该模式下的结构力学方法。山东大学张峰等人依托宁夏叶盛黄河公路大桥，利用无线采集仪模块和温度传感器，研究波形钢腹板内衬混凝土部位的温度梯度。兰州交通大学王力等人提出大温差作用下新型波形钢腹板组合箱梁相对滑移、内力和应力的理论计算方法。西南交通大学王耀旭等人采用数值模拟方法进行钢-混凝土组合梁桥温度效应计算并完成本构模型、滑移效应等参数分析。湖南大学刘瑜等人研究超高性能混凝土层（UHPC）轻型组合梁桥结构在日照作用下的温度效应，发现轻型组合梁桥面板的温度梯度效应是不可忽略的。北京建筑大学武庆祥等人对实测温度场数据进行曲线拟合并与规范对比，发现钢箱梁温度存在竖向梯度。天津大学朱劲松等人采用三维遮挡算法，对简支钢箱-混凝土组合梁桥的竖向温度梯度进行参数分析，并提出竖向温度梯度基数回归函数。在钢-混凝土组合梁温度效应的研究中，主要集中于对波形钢腹板组合梁桥和钢-混凝土组合梁桥的温度场与温度效应研究，需要对钢桁组合梁温度效应进行深入研究。

为了明确昼夜大温差对钢桁-混凝土组合梁的力学行为的影响，选取水苏沟钢桁-混凝土组合连续梁为研究对象，根据桥址气象确定温度荷载，通过有限元仿真分析在昼夜大温差作用下对支座反力、变形，以及桁杆应力的影响。

一、工程概况

合铜高速公路水苏沟大桥是主桥为3×80m钢桁-混凝土组合梁桥，全长697m，为左右两幅。主梁采用Q420qDNH双拼桁架组合梁，行车道板采用C50混凝土，钢主梁标准间距6.7m，主梁高度为8.9m，设计荷载为公路-I级。

水苏沟大桥地处陕西省渭南市白水县，位于东经109°，北纬35.2°，位于中纬度半干旱地区，属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，昼夜温差大。根据桥址处近10年历史气象资料显示，桥位处历年平均温度为17.08℃，最大昼夜温差为20℃，出现在2015年4月15日。

二、温度数据监测

温度数据监测贯穿整个施工监控过程。水苏沟大桥采用高精度温度传感器进行温度监测，如图1所示。温度监测主要监测梁外部温度和太阳辐射强度。测点应布置在温度梯度变化较大位置，且对称、均匀布置，能反映结构竖向及水平向温度场变化规律。当面积或跨度较大，以及在结构构件应力及变形受环境温度影响大的区域时，应增设测点。在对桥梁外部环境进行温度监测时，宜选择通风良好且不受日光直射的桥梁部位；在对桥梁内部环境进行温度监测，宜选择箱梁、主拱、桥塔和锚碗室内部的几何中心位置。测点布置如图2所示。

图1 现场温度监测

图2 钢桁梁横截面测点布置

三、结构仿真

根据水苏沟钢桁-混凝土组合连续梁桥的结构构造形式和实际尺寸，构建有限元模型进行计算分析，结构三维计算模型如图3所示。根据结构的特点选取单元类型，桥面板和钢桁选用梁单元。有限元模型采用975个节点和1175个单元。桥面板采用C50混凝土，钢桁梁采用Q420钢材。根据桥址气象，水苏沟大桥最大昼夜温差为20℃，为了模拟日照作用下，桥梁结构接受不均匀太阳辐射，将桥面板与一侧桁架整体升降温20℃。

图3 结构三维计算模型

四、温度效应

（一）支座反力

组合结构桥梁是由多种材料组合而成，不同材料对温度的敏感性不同，在日照温差作用下容易产生相对滑移，同时也会引起应力集中、局部破坏甚至严重变形。为了分析在昼夜大温差作用下对桥梁支座反力的影响，分别根据当地极端最高温度和极端最低温度，对结构进行整体升降温，钢桁组合梁的支反力计算结果如表1所示。

表1 整体升降温下支座反力

模型中各节点的位置如图4所示。其中，组合梁端支点节点号分别为14、49、94及128，中支点节点号为24、59、93及106。由表1可知，在整体升温时，端支点受到拉力，中支点受到压力。在整体升温时，端支点和中支点的受力与整体降温方向相反，数值大小相等。

图4 支座节点位置

（二）变形

温度变形不仅影响行车的舒适性，还可能导致桥梁支座的抬起和伸缩缝破坏等病害，甚至出现桥梁破坏。根据桥址气象，在昼夜大温差下钢桁梁的纵桥向变形、横桥向变形及竖向变形分别如图5～10所示。0

图5 整体升温下纵桥向变形

由图5和图6可知，在整体升降温下，3个结构部位的纵桥向变形基本一致，在端支点取到最大值，为31.91mm。

图6 整体降温下纵桥向变形

由图7和图8可知，在整体升降温作用下，未加温度一侧桁杆与整体升降温一侧桁杆的横桥向变形基本一致，在跨中达到最大，为4.65mm；在整体升温作用下，桥面板的横向变形均大于0，说明桥面板向右偏移，在整体降温作用下，桥面板的横向变形均小于0，说明桥面板水平向左偏移。

图7 整体升温下横桥向变形

图8 整体降温下横桥向变形

由图9和图10可知，在整体升降温作用下，结构竖向变形关于跨中对称。在整体升温下，会使跨中下挠，边跨上挠，最大挠度处均位于跨中。在整体降温下，会使跨中上挠，边跨下挠。在整体升降温中，未加温度一侧桁杆受日照温度影响最大，其次为桥面板，整体升降温一侧桁杆为最小。在整体升温下，未加温度一侧桁杆最大竖向变形为5.98mm，为桥面板最大竖向变形的1.36倍，为整体升降温一侧桁杆最大竖向变形的4.27倍。

图9 整体升温下竖向变形

图10 整体降温下竖向变形

五、结语

本文采用有限元数值仿真，选取水苏沟钢桁-混凝土组合连续梁为研究对象，根据相关规范，由桥址昼夜最大温差确定整体升降温的数值，分析了整体升降温对支座反力和变形的影响。通过分析计算发现，在变形和桁杆应力中，整体升降温对结构跨中的影响最大。因此，在钢桁-混凝土混合连续梁桥结构分析和运营期检测中应考虑温度效应影响，尤其关注温度效应对跨中的不利影响，防止跨中下挠过大，应力过大等不利影响，引起结构破坏。