温度对中小跨径混凝土梁桥应力及变形的影响研究

贾路斌,方 阳

（贵州交咨工程检测有限公司,贵州 贵阳 550000）

0 引言

中小跨混凝土梁桥因结构简单、建造技术成熟、可实现预制场预制、施工质量可控且成本相对较低而得到广泛应用，其数量约占我国桥梁总数的91%。大跨径梁桥梁体恒载效应占桥梁总荷载效应的比例可达80%~90%以上，活载效应仅占总荷载效应的10%左右。对中小跨径混凝土梁桥而言，活载效应占总效应的比例在30%~60%左右[1-3]。因此，对于中小跨径混凝土梁桥受力分析时应充分考虑活载效应的影响，包括汽车荷载、风荷载、温度荷载以及收缩徐变等。而贵州山区昼夜温差大，太阳辐射明显，梁体容易形成温度梯度，故该文从温度梯度方面分析温度对中小跨径混凝土梁桥的应力及变形影响。

1 温度梯度对中小跨径混凝土梁桥的应力及变形影响

中小跨径混凝土简支梁桥整体温度升高或降低不会引起结构的应力及变形变化。由于太阳辐射桥面，导致桥面温度与梁底温度形成正温差，以及强对流天气影响、气温突然降低，导致桥面温度迅速降低而形成的梁底温度高于桥面的负温差，二者所形成的温度梯度将对桥梁结构的应力及变形产生较大影响[4-5]。

在分析应温度梯度对混凝土梁桥产生的效应时，可采用如图1所示的温度梯度曲线。规定桥面受太阳辐射所产生的最高温度T1如表1所示，当梁高H≤400 mm时，图中A=H−100（mm），当梁高≥400 mm时，A=300 m，规定竖向负温度梯度为正温度梯度乘以−0.5[6]。

表1 竖向日照正温差计算的温度基数[6]

图1 竖向温度梯度[6]

依据现阶段运营期桥梁现状分析，现役中小跨径混凝土梁桥多采用08版交通运输部颁布梁桥通用结构图，该文选择使用广泛的16 m、20 m跨径空心板与20 m、30 m、40 m跨径T梁为研究对象。采用Dr.Bridge建立单梁模型，分析计算横向分布系数，以最不利荷载状况模拟边梁和中梁。

1.1 温度梯度产生的空心板应力及变形

采用Dr.Bridge建立单梁模型，温度梯度依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）要求进行设置，纵桥向不同位置在正温度梯度和负温度梯度作用下产生的变形如表2所示。（表2仅列出纵桥向L/8、L/4和L/2位置提取的相关数据，竖向变形向上为“+”。）

表2 温度梯度产生的竖向变形 /mm

由表2可知，主要控制截面温度梯度使梁体产生的竖向变形表现为：正温度梯度梁体上拱，负温度梯度梁体下挠。在正温度梯度时，16 m空心板L/2截面上拱值为3.65 mm，20 m空心板L/2截面上拱值为4.55 mm；负温度梯度时，16 m空心板L/2截面下挠值为1.69 mm，20 m空心板L/2截面下挠值为2.28 mm。

由表3可知，主要控制截面温度梯度使梁体产生的应力，正温度梯度作用下表现为：空心板上、下缘均表现为受压，16 m空心板上缘压应力大小为2.03 MPa，下缘压应力大小为0.64 MPa，20 m空心板上缘压应力大小为2.25 MPa，下缘压应力大小为0.63 MPa；负温度梯度作用下表现为：空心板上、下缘均表现为受拉，16 m空心板上缘拉应力大小为1.13 MPa，下缘拉应力大小为0.30 MPa，20 m空心板上缘拉应力大小为1.12 MPa，下缘拉应力大小为0.32 MPa。由上述分析可知，在正负温度梯度作用下，空心板梁下缘受温度梯度的影响小于上缘。

表3 温度梯度产生的结构应力 /MPa

1.2 温度梯度产生的T梁的应力及变形

采用Dr.Bridge建立单梁模型，温度梯度依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）[8]要求进行设置，纵桥向不同位置在正温度梯度和负温度梯度作用下产生的竖向变形如表4所示。（表4仅选取纵桥向L/8、L/4和L/2位置提取相关数据，竖向变形向上为“+”。）

表4 梯度温度产生的竖向变形 /mm

由表4可知，主要控制截面温度梯度使梁体产生的竖向变形表现为：正温度梯度使梁体上拱，负温度梯度使梁体下挠。在正温度梯度时，20 m T梁L/2截面上拱值为3.02 mm，30 m T梁L/2截面上拱值为4.75 mm，40 m T梁L/2截面上拱值为6.12 mm；负温度梯度时，20 m T梁L/2截面下挠值为−1.51 mm，30 m T梁L/2截面下挠值为−2.37 mm，40 m T梁L/2截面下挠值为−2.79 mm。

由表5可知，主要控制截面温度梯度使梁体产生的应力，正温度梯度作用下表现为：T梁上、下缘均表现为受压，20 m T梁右上缘压应力大小为2.27 MPa，右下缘压应力大小为0.90 MPa，30 m T梁右上缘压应力大小为2.49 MPa，右下缘压应力大小为0.80 MPa，40 m T梁右上缘压应力大小为2.66 MPa，右下缘压应力大小为0.66 MPa；负温度梯度作用下表现为：T梁上、下缘均表现为受拉，20 m T梁右上缘拉应力大小为1.13 MPa，右下缘拉应力大小为0.45 MPa，30 m T梁右上缘拉应力大小为1.24 MPa，右下缘拉应力大小为0.40 MPa，40 m T梁右上缘拉应力大小为1.43 MPa，右下缘拉应力大小为0.30 MPa。由上述分析可知，在正负温度梯度作用下，空心板梁下缘受温度梯度的影响小于上缘。

表5 温度梯度产生的结构应力 /MPa

1.3 温度梯度对活载监测的影响分析

对中小跨径混凝土梁桥的营运安全进行综合评估，应基于活载响应的安全监测，由1.1~1.2的计算分析可知，温度梯度对中小跨径混凝土梁桥应力及变形的影响对监测结果有相当比重的影响，该部分内容通过计算温度梯度对活载产生应力及变形的偏离值分析温度梯度对活载监测的影响程度。

1.3.1 温度梯度对变形的影响

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[7]计算标准活载与温度梯度作用下中小跨径混凝土空心板梁和T梁的竖向变形，分析结果如表6所示。温度梯度产生的竖向变形较大，由于温度梯度是由太阳辐射产生，故温度梯度产生的竖向变形是时时存在的。在梁桥安全监测过程中，通过变形采集设备采集的竖向变形量除了活载效应外，还包括温度梯度产生的竖向变形。针对中小跨径混凝土梁桥，以《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[7]活载作用下产生的竖向变形与加正负温度梯度产生的变形进行叠加，可得到温度梯度产生的变形偏差量。

表6 活载与温度梯度产生的竖向变形（L/2截面）

由表6可知，温度梯度对梁体竖向变形测量的影响很大，且表现为正温度梯度的测量偏差量大于负温度梯度的测量偏差量。具体表现为：16 m空心板竖向变形测量偏差量为52.64%，20 m空心板竖向变形测量偏差量为49.73%，20 m T梁竖向变形测量偏差量为49.73%，30 m T梁竖向变形测量偏差量为41.13%，40 m T梁竖向变形测量偏差量为37.62%。随跨径的减小竖向变形测量偏差量呈现增大趋势，即桥面与梁底的正温差越大，桥梁跨径越小，梁体竖向变形的测量偏差量越大。

1.3.2 温度梯度对应力的影响

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[7]计算标准活载与温度梯度变化作用下中小跨径混凝土空心板梁和T梁的应力，分析结果如表7。

表7 活载与温度梯度产生的应力（L/2截面） /MPa

由表7可知，温度梯度对空心板或T梁上缘的应力测量偏差量影响较下缘的应力测量偏差量更大。正温度梯度时：空心板上缘的应力测量偏差量介于48.45%~54.61%之间，下缘的应力测量偏差量介于16.84%~16.93%之间，T梁上缘的应力测量偏差量介于68.56%~78.55%之间，T梁下缘的应力测量偏差量介于12.57%~14.61%之间；负温度梯度时：空心板上缘的应力测量偏差量介于26.97%~27.18%之间，下缘的应力测量偏差量介于8.57%~16.93%之间，T梁上缘的应力测量偏差量介于36.86%~37.54%之间，T梁下缘的应力测量偏差量介于5.71%~7.31%之间。与竖向变形测量偏差量类似，应力测量偏差量同样表现为随跨径的减小应力测量偏差量呈现增大趋势，即桥面与梁底的正温差越大，桥梁跨径越小，梁体应力的测量偏差量越大[9]。

2 结论

基于该文的分析可得出如下结论：

（1）温度梯度会对中小跨径混凝土梁桥的应力及变形产生不可忽略的影响。

（2）对比分析温度梯度产生的应力测量偏差量与竖向变形测量偏差量，温度梯度作用下，随跨径的减小应力测量偏差量呈现增大趋势，且在正温度梯度时，桥梁跨径越小，梁体应力及竖向变形的测量偏差量越大。

（3）通过分析可为同类桥梁健康安全监测过程中的传感器的布设提供参考，对于中小跨径T梁或空心板梁桥，应力测点布设位置可选择在梁体的下缘，以减小温度梯度效应对采集数据的影响，提高监测数据的可靠性。