铁路PC 连续箱梁桥温度效应分析

张立岩(中铁十四局集团有限公司，山东 济南250014)

1 混凝土温度荷载的特点及分类

混凝土结构的温差应力，实际上是一种约束应力。当结构物由于温度变化产生的变形受到约束时所产生的应力，即称为温差应力[1]。

1.1 温差应力的特点

1)它与一般荷载应力不同，出现应变小而应力大或应变大而应力小的情况，但是伯努力的平面变形假定仍然适用。温差应力与平面变形后所保留的温度应变和温度自由应变差成正比。

2)由于混凝土结构的温度荷载沿壁板厚度或高度方向的非线性分布，故截面上温度应力的分布具有明显的非线性特点。

3)混凝土结构的温度分布是瞬时变化的，所以在结构中的温度应力也是瞬时变化的，且具有明显的时间性。

1.2 温差荷载的分类

1）日照温度变化：工程结构物的日照温度变化很复杂，影响因素众多，主要有以下几个方面：太阳的直接辐射、天空辐射、地面反射、气温变化、风速以及地理纬度、结构物的方位和壁板的朝向、附近的地形地貌条件等。因此，工程结构物由于日照温度变化引起的表面和内部温度变化，是一个随机变化的复杂函数。从工程的角度考虑，可以从大量的实测资料分析中，得出以下结论：在结构物所在地的地理纬度、方位角、时间及地形条件确定的情况下，影响结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速。

2）骤然降温温度变化：一是工程结构物在强冷气流的侵袭作用下，使结构外表面迅速降温，结构物中形成内高外低的温度分布状态，二是日照降温，由于日落等因素致使结构外表面温度迅速下降，此时，结构物内表面温度几乎没有什么变化，形成较大的内高外低的温差状态。这两种降温温度变化，一般只要考虑气温变化和风速这两个因素。

3）年温温度变化：由于年温变化所引起的结构物温度变化，因其是长期的缓慢作用，使得结构物整体发生均匀的温度变化。

2 混凝土箱梁桥温度效应

1）线形变化。在这种温差变化下，箱梁结构将产生挠曲变形，而且变形后梁仍然符合平截面假定。对静定结构，线性变化的温度梯度只引起结构的位移而不产生温度次内力，而在超静定结构中，因多余约束的存在，它不但引起结构的位移，还产生结构内温度次内力。

2）非线性变化。而非线性温差分布，对静定结构，由于梁变形后要保持平截面假定，故温差引起的纤维伸长会相互约束，从而产生纵向约束应力，这部分在截面相互平衡的约束应力称为温度自约束应力（简称温度自应力）；对超静定结构，除了温度自应力外，还应考虑多余约束阻止结构变形产生的温度体系约束内力所引起的温度体系约束应力（简称温度次应力）。

3 工程概况

本文以莞惠城际轨道交通工程跨律涌水道特大桥为工程背景，该桥主桥为(50 ＋80 ＋50)m 预应力混凝土连续梁，梁体形式为单箱单室变截面预应力混凝土连续箱梁。全桥箱梁顶宽11.6m，箱梁底宽5.86m；端支座处及边跨直线段和跨中处梁高为3.5m，中支点处梁高6.0m。采用悬臂浇注法施工。设计活载采用0.6UIC 荷载图式值作为桥梁设计的列车竖向活载。该大桥计算模型图见图1。

图1 计算模型图

4 温度荷载作用下主梁的内力和变形分析

根据设计文件，结构温度变化：体系温度根据当地气候升温采用20℃，降温采用15℃。全桥模型单元数为112，主梁截面及各材料的参数均按照设计要求输入，计算时体系合拢温度取值20℃。

以下计算结果分析中，符号规定如下：轴力：拉为正，压为负；弯矩：上缘受拉为负，下缘受拉为正；应力：拉为正，压为负；挠度：向上挠为正，向下为负。

4.1 不同温度场的有限元对比分析

在日照温差计算模式时，选取5 种不同的温度场，其规范特征值T 见表1。

表1 规范特征值T

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对不同的温度梯度模式按照对应规范施加温度梯度荷载，进行有限元分析，计算主梁各主要截面的温度应力和变形，结果见表2-表3。

由表2-表3 可以看出，不同温度梯度模式所产生的温差效应差别比较大。旧规范即《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023-85)所采用的顶板均匀升、降5℃的温度模式计算复杂的温度场是不理想的。对于无碴轨道箱梁，顶板的温度梯度超过10℃，梁顶和梁底温差可达20℃，且箱梁内的温度具有明显的滞后性，所以按照旧规范计算的温度应力和位移值偏小。其它几种规范对日照升温或骤然降温采用了不同的温度梯度模式，温度应力明显大于旧规范。

由表2-表3 还可以看出，中国现行铁路规范和中国现行公路规范计算结果比较接近。升温模式下，三跨连续梁边跨上挠，中跨下挠，降温模式下相反；升温模式下，主梁除了边跨附近，箱梁上缘承受压应力，下缘承受拉应力。

4.2 温度不均匀变化对结构内力和变形的影响

根据设计文件，考虑整体升温20℃和整体降温15℃两种情况，全桥进行空间有限元分析。图2-图4 为整体升温和整体降温作用下结构的内力和位移计算结果。

表2 不同温度梯度模式下主要截面应力(单位:MPa)

表3 不同温度梯度模式下主要截面位移(单位:mm)

图2 整体升温和整体降温作用下主梁位移

图3 整体升温和整体降温作用下主梁上缘应力

图4 整体升温和整体降温作用下主梁下缘应力

由图2-图4 可以看出，箱梁结构整体升温20℃，除支点截面附近外，主梁中跨和边跨均表现为上拱，但中跨上拱值较大，跨中上拱最大值达到3.5mm，边跨上拱最大值为0.5mm；整体降温15℃，除支点截面附近外，中跨和边跨均表现为下挠，中跨跨中下挠最大值达到-1.3mm，边跨下挠最大值为0.2mm。整体升温20℃和降温15℃所产生的箱梁截面应力较小，上缘应力最大值为-0.44MPa(升温20 度)，发生在支点截面，下缘应力最大值为-0.54MPa(升温20 度)，发生在跨中截面；边跨距梁端30m 范围内，箱梁上缘升温时受拉，降温时受压， 支点截面附近升温时受压，降温时受拉，跨中截面位置附近，升温时受拉，降温时受压；箱梁下缘应力变化情况与之相反。

5 结语

1)不同规范的温度梯度模式，对结构产生内力和变形影响结果差别较大，故在进行大跨度桥梁施工控制中，须密切监测截面的温度梯度，以便过滤温度对桥梁线形的影响。

2)我国公路桥梁旧规范(JTJ023-85)采用比较单一的温度模式，所得到的温度梯度引起的应力和位移值是偏于不安全的，我国现行的铁路规范和公路规范计算结果比较接近，且与其它两种国外规范差别不大，说明我国现行的规范温度梯度模式在设计中是偏于安全的。

3)升温模式下，温度梯度作用产生的梁底拉应力在中跨跨中和附近截面上较大，在支点截面较小，而梁顶压应力在跨中截面和支点截面都较大。

4)在考虑主梁结构整体升温时，边跨和中跨均表现为上拱，整体降温时，表现为下挠；箱梁上、下缘应力值较小。

[1]杜拱辰.现代预应力混凝土结构.北京：中国建筑工业出版社，1988.

[2]邵旭东，李立峰，鲍卫刚．混凝土箱形梁横向温度应力计算分析．重庆交通学院学报，2000.19(4)：5-10.

[3]卢文良，季文玉，杜进生．铁路混凝土箱梁温度场及温度效应．中国铁道科学，2006.27(6)：49-53．

[4]刘兴法．混凝土结构的温度应力分析．北京：人民交通出版社，1991．

[5]佘小年，方志，汪剑．大跨预应力混凝土连续梁桥的温度效应．公路，2003(11)：135-138．