大跨预应力混凝土连续箱梁桥温度效应研究

曾利强

(惠州市道路桥梁勘察设计院，广东　惠州　516001)



大跨预应力混凝土连续箱梁桥温度效应研究

曾利强

(惠州市道路桥梁勘察设计院，广东惠州516001)

曾利强(1983—)，工程师，研究方向：路桥设计。

摘要：文章以广东某大跨预应力混凝土连续箱梁桥为研究对象，采用MIDAS/CIVIL软件建立有限元模型，综合考虑整体升温和降温的影响，分析系统温度对桥梁内力和变形的影 响，并结合广东当地温度气候条件，建立适合于建桥所在地区特点的温度梯度模式。通过将分析结果与国内外设计规范中规定的温度梯度模式分析结果进行比较，验证了所建立的温度梯度模式计算结果的可靠性，为相似大跨预应力混凝土连续箱梁桥设计提供建议及参考。

关键词：连续箱梁桥；系统温度；温度梯度模式；有限元模型；设计规范

0引言

随着我国交通基础设施建设的迅速发展，具有伸缩缝少、行车舒适性好等优点的大跨预应力混凝土箱梁桥得到广泛应用。但随着大跨预应力混凝土箱梁桥的大量修建，暴露出预应力混凝土箱形结构开裂等突出的问题[1]。究其原因，是由于大跨预应力混凝土箱梁桥在受到温度作用下，产生较大温度应力，进而引起混凝土开裂，经多年理论研究和工程实践检验表明，温度效应是大跨预应力混凝土箱梁桥产生裂缝的重要原因[2]。近年来，国内外学者对大跨预应力混凝土箱梁桥的温度效应进行了研究，Priestley M.J.[3]等研究了桥梁截面温度分布的规律，并提出计算方法，Saetta A.和Scotta R.[4]等研究了在变化温度场作用下，混凝土结构的截面应力和应变变化规律，刘兴法[5]通过大量现场试验观测资料的分析和理论研究，建立了预应力混凝土箱梁的控制温度荷载及相应的温差应力计算方法。李宏江[6]等根据广东某混凝土箱梁日照作用下的温度观测结果，研究出箱梁沿断面高度方向的温度梯度分布规律，提出适合广东地区温度梯度模式。

本文以某大跨预应力混凝土箱梁桥作为工程背景，综合考虑整体升温和降温，分析系统温度对桥梁内力和变形的影响，然后结合广东当地温度气候，借鉴以往研究成果，建立适合于建桥所在地区特点的温度梯度模式，并将分析结果与国内外设计规范中规定的温度梯度模式分析结果进行比较，验证了本文建立的温度梯度模式计算结果的可靠性，为相似大跨预应力混凝土连续箱梁桥设计提供合理的建议及参考。

1工程概况

桥梁上部构造箱梁跨径组合为30 m+2×40 m+30 m，单幅桥上部构造采用单箱双室变截面连续箱梁，跨中和边支点处箱梁截面高度采用1.6 m，中墩支点处箱梁截面高度采用2.5 m，顶板厚25 cm，底板厚22～37.3 cm，跨中腹板厚45 cm，支点处腹板厚为60 cm，箱梁的悬臂板宽2.5 m，悬臂板厚15～45 cm，箱梁混凝土采用C50，主桥总体布置见图1。

图1　主桥总体布置图(m)

2系统温度效应分析

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)规定[7]，桥梁的系统温度效应从桥梁结构受到约束时的温度开始，考虑最高和最低的温度差异计算温度效应，并对不同地区在缺乏实测资料情况下给出了最高和最低温度标准值。但考虑到成桥时间难以确定，在设计阶段对成桥时间的气温更是难以预测，往往依靠设计人员根据自己的经验进行取值，这样计算得到的结果往往跟实际情况有明显偏差。为避免温度取值问题干扰，本文利用有限元软件分别计算系统整体升温1 ℃和整体降温1 ℃作用下箱梁结构温度应力及变形，并将分析结果进行比较，各主要控制截面的应力计算结果见表1，系统整体升降温作用下主梁的竖向位移计算结果见图2。

表1　各主要控制截面的应力计算结果表

由表1可知，系统整体温度变化对中跨影响最大，其它位置影响较小。对于系统整体升降温，全桥的温度应力具有相反的分布规律，在系统整体升温1 ℃的作用下，各跨跨中截面上缘均出现拉应力，各墩墩顶截面下缘均出现拉应力；而在系统整体降温1 ℃的作用下，各跨跨中截面下缘均出现拉应力，各墩墩顶截面上缘均出现拉应力。整体降温作用下，整体降温与自重引起的应力分布相同，二者若叠加作用对结构受力不利，因此，桥梁成桥时间宜安排在当天气温较低时，这样随着温度逐渐升高形成整体升温效应，有利于减小整体温度变化对桥梁受力的不利影响。

图2　系统整体升降温作用下主梁竖向位移曲线图

由图2可知，系统整体温度变化对中跨影响最大，其它位置影响较小。对于系统整体升降温，全桥的温度位移具有相反的分布规律，在系统整体升温1 ℃的作用下，桥梁中跨上拱，而在系统整体降温1 ℃的作用下，桥梁中跨下挠。整体降温作用下，整体降温与自重引起的位移分布相同，二者若叠加作用对结构变形控制不利，因此，桥梁成桥时间宜安排在当天气温较低时，这样随着温度逐渐升高形成整体升温效应，有利于减小整体温度变化对桥梁变形的不利影响。

3温度梯度效应

我国地域幅员辽阔，各地气候温度差异较大，现行的公路桥涵设计规范并没有考虑全国范围内的气候差异，而采用同一温度模式进行温度效应分析，而这样得到分析结果明显不尽合理。本文结合建桥地区当地温度气候，借鉴李宏江等提出的适合广东地区温度梯度模式建立适合于建桥所在地区特点的推荐温度梯度模式，并为验证该模式计算结果的可靠性，分别建立与推荐温度梯度模式及国内外设计规范规定的温度梯度模式相对应的四种工况：(1)工况一为推荐温度梯度模式；(2)工况二为《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定的竖向温度梯度模式；(3)工况三为英国桥规BS-5400规定的温度梯度模式；(4)工况四为日本道路桥梁设计标准(1978)规定的温度梯度模式。利用有限元软件分别计算四种工况作用下箱梁结构温度应力及变形，并将分析结果进行比较。各工况对应温度梯度模式：

(1)工况一：推荐温度梯度模式

李宏江等通过对箱梁混凝土温度实测数据的分析发现，实测曲线与我国铁路桥新规范的计算模式非常类似，在距顶板上缘0～2/3 H范围内，温度梯度分布曲线呈现明显非线性，自顶板的最大值开始迅速减小，直至腹板的中下部，温度数值衰减至最低，温差接近为0 ℃，并据此规律拟合出适合广东地区的温度梯度分布曲线如式(1)所示：

Ty=23·e-5.3y

(1)

而通过对底板实测数据分析整理发现，自底板上缘附近开始，温度逐渐升高，温差逐渐增大，底板最大温差接近3 ℃。故适合本桥所在地区箱梁的整体温度梯度分布曲线如图3所示：

图3　推荐温度梯度模式曲线图

(2)工况二：《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定的竖向温度梯度模式

图4　《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)温度梯度模式曲线图

《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中规定梯度温度模式可以通过查表2确定。梯度温度模式T1取25 ℃，T2取6.7 ℃，见图4。

表2　竖向日照正温差计算的温度基数值表

(3)工况三：英国桥规BS-5400[8]温度梯度模式

英国桥规BS-5400是迄今为止各国路桥规范中对桥梁结构温度效应的规定最详细、最全面的规定。根据英国桥规BS-5400规定：有混凝土桥面板的混凝土桥梁的温差值，当梁高>1.5 m时，无铺面的正温差T1取13.5 ℃，T2取3 ℃，T3取2.5 ℃，见图5。

图5　英国桥规BS-5400温度梯度模式曲线图

(4)工况四：日本道路桥梁设计标准(1978)

日本道路桥梁设计标准(1978)规定：应根据桥面板和其它部分的温度差计算截面内的应力，温差以5 ℃为标准，温度梯度模式见图6。

图6　日本道路桥梁设计标准(1978)温度梯度模式曲线图

分别考虑各工况作用，计算桥梁运营阶段梯度温度模式下的箱梁结构各主要控制截面的应力及竖向位移，各主要控制截面的应力计算结果见表3，主梁的竖向位移结果见下页图7。

表3　各主要控制截面的应力计算结果表

由表3可知，不同的梯度温度模式温度应力计算结果分布规律基本一致，但数值有一定差别，顶板一般产生压应力，底板一般产生拉应力，最大压应力出现在墩顶截面顶板，分别为-6.59 MPa、-7.75 MPa、-4.11 MPa、-1.32 MPa；最大拉应力出现在跨中底板，分别为1.4 MPa、1.47 MPa、0.16 MPa、0.74 MPa。从四种不同的梯度温度模式来看，采用本文建立的推荐温度梯度模式计算的结构温度应力略小于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中规定梯度温度模式计算的结构温度应力，且大于英国桥规BS-5400和日本道路桥梁设计标准(1978)规定的梯度温度模式计算的结构温度应力。

图7　主梁竖向位移结果曲线图

由图7可知，不同的梯度温度模式温度位移计算结果分布规律基本一致，四种工况均是在边跨跨中截面的竖向向下位移最大，最大位移分别为1.61 mm、1.25 mm、0.65 mm、0.58 mm；支点截面竖向位移最小。从四种不同的梯度温度模式来看，采用本文建立的推荐温度梯度模式计算的结构位移略大于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)、且大于英国桥规BS-5400和日本道路桥梁设计标准(1978)规定的梯度温度模式计算的结构位移。

因此，在进行桥梁的温度效应分析时，采用本文推荐的温度梯度模式是可靠的，其结果与《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)规定的温度模式基本一致，且大于英国桥规BS-5400和日本道路桥梁设计标准(1978)规定的梯度温度模式。

4结语

(1)系统整体温度变化对中跨影响最大，其它位置影响较小，对于系统整体升降温，全桥的温度应力和位移具有相反的分布规律。在整体降温作用下，整体降温与自重引起的应力和位移分布相同，二者若叠加作用对结构受力和变形控制不利，因此，桥梁成桥时间宜安排在当天气温较低时，这样随着温度逐渐升高形成整体升温效应，有利于减小整体温度变化对桥梁受力和变形的不利影响。

(2)不同的梯度温度模式下，温度应力、位移计算结果分布规律基本一致，但数值有一定差距。从四种不同的梯度温度模式来看，采用本文建立的推荐温度梯度模式计算的结构温度应力略小于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)，而结构位移略大于《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)，二者结果相差不大，基本一致，且大于英国桥规BS-5400和日本道路桥梁设计标准(1978)规定的梯度温度模式计算的结构温度应力和位移，因此采用本文推荐的温度梯度模式是可靠的。

参考文献

[1]朱汉华，陈孟冲，袁迎捷.预应力混凝土连续箱梁桥裂缝分析与防治[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]蔡素军.大跨度钢筋混凝土箱形梁桥温度效应研究[D].武汉：武汉理工大学，2006.

[3]PriestleyM.J.Design of concrete bridges for temperature gradients[J].New Zealand Engineering，1978，75(5)：209-217.

[4]Saetta A.，Scotta R.，Vitaliani R.Stress analysis of concrete structures subjected to variable thermalloads[J].Journal of Structural Engineering，1993，121(3)：446-457.

[5]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.

[6]李宏江，李湛，等.广东虎门辅航道连续刚构桥混凝土箱梁的温度梯度研究[J].公路交通科技，2005，22(5)：67-70.

[7]JTGD60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[8]BS5400：Steel，Concret and Composite Bridge，Part2：1978-Specification for LoadsBritish StandardsInstitude，1978：1-71.

Research on Temperature Effect of Large-span Continuous Prestressed Concrete Box-girder Bridges

ZENG Li-qiang

(Huizhou Roads and Bridges Survey and Design Institute，Huizhou，Guangdong，516001)

Abstract：With a large-span prestressed concrete continuous box girder bridge in Guangdong as the research object，this article established the finite element model by using MIDAS/CIVIL software，and then by considering the impact of overall warming and cooling，it analyzed the impact of system temper-ature on bridge internal force and deformation，and then combining the local temperature and climatic conditions in Guangdong，it established the temperature gradient mode suitable for the characteristics of bridge construction location.By comparing the analysis results to temperature gradient mode analysis results stipulated in domestic and foreign design specifications，it verified the reliability of calculation results by established temperature gradient mode，thereby providing the advice and reference for the design of similar large-span prestressed concrete continuous box girder bridges.

Keywords：Continuous box girder bridge；System temperature；Temperature gradient mode；Finite element model；Design specifications

收稿日期：2016-01-27

文章编号：1673-4874(2016)02-0046-05

中图分类号：U448.21+3

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.011

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