π形断面桩板式道路结构温度荷载分析

韩磊 方圆

摘要 π形断面桩板式道路结构为敞口薄板结构，其温度分布特性与传统桥梁可能存在较大差异，现有规范中温度荷载模型对桩板式结构存在一定的适用性问题。文章利用ANSYS有限元模型分析π形断面桩板式道路结构温度场分布特征，基于规范模型分别对升、降温工况的温度荷载模型进行优化，采用优化后温度荷载模型计算π形断面桩板式道路结构温度效应，并与规范模型进行了对比。研究表明：提出的正温差模型与规范模型大致相同，但负温差模型通过考虑了肋部上下明显温差，相较于规范模型，能更好地反映π形断面桩板式道路结构的温度荷载效应分布特点。

关键词 桩板式道路；π形断面；温度梯度；温度效应；温度荷载模型

中图分类号 TV544文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0081-03

0 引言

混凝土结构长期承受外界温度变化、太阳辐射等因素影响，导致混凝土构件温度分布复杂，且各处温度不断变化。构件中出现明显温度梯度变化，以产生温度自应力和温度次应力，对桥梁结构的正常使用极为不利[1]。

国内外对不同结构的温度分布及其荷载展开了一些研究。部分研究人员通过试验对不同尺寸的T梁温度分布进行研究，发现等比例放大对温差影响较为明显，而仅在高度发生变化时才对结构内温差影响较小[2～4]。已有研究中大多关注结构和材料参数，缺乏基于气象参数对结构影响方面的研究，导致敏感气象时间段的温度场研究出现空白，因此需要基于长时间温度场的计算，获取结构内部温度场及应力场分布规律。此外，不同结构形式对温度的传递规律有明显差别，例如闭口结构和敞口结构在温度传递方面就存在很大差异。为了对桩板式道路结构的温度效应进行研究，该文以合枞高速公路为依托开展π形开口断面的温度荷载研究。

1 结构特点

合枞高速公路是国内首次采用大跨度桩板式道路结构的工程。这种结构的标准跨径为12 m，由预制管柱、预制盖梁和预制π形梁板拼装组成。其采用π形断面预制梁结构，单片宽度为3.17 m，肋板宽度为0.30 m，中板翼缘板厚度为0.22 m，见图1。在π形梁板内设置先张预应力钢绞线提高结构承载能力。标准断面宽度为12.75 m，由四块π板组成。

预制梁板与盖梁之间采用湿接缝连接，形成墩梁固结结构。下部结构由3根直径800 mm的高强度预制管柱组成。

2 温度荷载研究方法

2.1 热传导基本理论

Fourier热传导微分方程为时间t及三维坐标（x，y，z）之间的函数关系，如式（1）：

经过大量实验，可以看出纵向的温度分布较小，因此得到式（2）算式：

式中，α——混凝土导热系数；T——混凝土温度。

2.2 温度场计算边界条件[2]

计算边界条件主要考虑对流边界和辐射边界，普通混凝土对流系数由风速计算得到式（3）：

式中，hc，i——第i时间步混凝土总对流换热系数；vi——第i时间步的平均风速。

沥青混凝土对流系数由风速，沥青表面温度及大气温度决定，见式（4）：

式中，hr，i——第i时间步沥青对流换热系数；Ts，i——第i时间步计算得到的沥青表面温度；Ta，i——第i时间步的大气温度。

3 桩板式道路结构温度场分析

求解温度场需要材料以及边界两个重要热学参数。材料参数是指密度、导热系数、比热容等。边界参数是初始温度、辐射量、流体温度等。部分参数需通过系列测试得出。

3.1 材料参数

由于试验条件限制，在对温度场进行数值模拟分析时，综合考虑试验结果、现有研究经验值[3]等确定材料热学参数，见表1。

3.2 平面温度场模型的建立

桥梁受太阳辐射沿纵向变化很小，故将桥梁由三维转为二维建立温度场模型，划分后的π形断面桩板式道路结构见图2。

模型中建立包括初始温度、热辐射及对流荷载等边界条件，其中，将热辐射转化为对流热交换形式，即将热交换系数和空气综合温度施加到有限元模型中[4]。

3.3 平面温度场分析

最大温差时刻，π形断面桩板式道路结构的温度分布云图见图3。

由计算结果可知，升温工况下，在20：00时截面竖向正温差最大，顶板温度最高达49.1 ℃，主梁底部温度最低达33.7 ℃。降温工况下，在9：00时截面负温差最大，顶板内部温度最高可达?3.5 ℃，主梁底部温度最低达?7.3 ℃。

4 桩板式道路温度荷载模型研究

温度梯度反映了截面最不利温度分布形式，进行温度场计算的目的就是为了获得最大温度梯度[5]。提取各工况温差最大时刻下π形梁截面顶板至主梁底部节点的温度，见图4。

基于现有规范的梯度温度荷载模式，将温度曲线根据距顶板0.4 m位置处归零计算，得到截面竖向正反温差曲线见图5。从图5可知，计算获得的竖向正温差与规范规定十分接近，而负温差曲线则有较大的不同。因此，可以认为，正温差梯度温度模型仍可遵循规范的温度荷载模式进行取值，但负温差梯度温度模型则需按照实际得出的温差曲线进行修改校正。

5 桩板式道路结构温度响应分析

为了与规范规定的梯度温度取值的计算结果进行比较分析，基于计算的梯度温度荷载值，采用Midas Civil有限元软件建立桩板式结构整桥（7×12 m）空间杆系模型。

5.1 挠度变形比较

利用现有规范及该文模型，分别计算7×12 m跨径的π形断面桩板式道路结构的最大变形情況，见表2。由表2可知，由规范温度荷载模型计算得到的结构位移响应总体偏小，与该文模型偏差在15%～18%之间。

5.2 应力比较

π形断面桩板式道路结构的最大应力情况对比，见表3。

由表3可知，梯度升温情况下，截面上缘受压，规范模型的计算结果较该文模型偏大6%；截面下缘在主梁联端受压、跨中处受拉，规范模型的计算结果较该文模型偏小13%。梯度降温情况下，对于主梁截面上缘，由规范模型计算结果为受拉，与实际情况不符，且规范计算的上缘拉应力偏大，且大于该文模型3.5倍；而采用该文模型计算结果为主梁联端受压、跨中受拉，且最大拉应力仅为0.4 MPa，与实际情况更相符；而对于截面下缘，各模型计算结果均为联端受拉、跨中受压，且应力值基本相同。

6 结论

对π形断面桩板式道路结构温度荷载分布特性进行了分析，基于规范提出了适用于对应的温度荷载模型。主要研究结论如下：

（1）根据π形断面桩板式道路结构计算温度场拟合温度曲线，推荐的正温差温度曲线与规范模型较为接近；由于π形断面散热较快，推荐的负温差模型与规范模型有所差别。

（2）升温工况下，推荐模型计算的计算结果较规范模型上缘应力略偏小、下缘应力略偏大；梯度降温情况下，采用规范模型的截面上缘应力计算结果明显偏大且与结构实际受力不符，而截面下缘基本相同。

参考文献

[1]郭淮， 胡淑文， 张强. 基于有限元热传导理论的大体积混凝土温度场研究[J]. 海河水利， 2023（3）： 80-83.

[2]刘兴国， 陶成云， 黄巍. 寒区桥面铺装的温度场敏感性及温度梯度[J]. 山东交通学院学报， 2023（1）： 64-75.

[3]姚俊杰. 大跨度钢箱梁悬索桥温度效应的空间特性研究[D]. 广州：华南理工大学， 2020.

[4]惠迎新， 孙晓荣， 王红雨， 等. 大跨变截面混凝土箱梁施工期温度效应研究[J]. 公路交通科技， 2023（1）： 98-105.