蔡春奎 耿波

摘要：溫度應(yīng)力對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的危害在近30年來越來越受到重視并得到深入研究。理論分析和研究均已證明，在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋中，特別是超靜定結(jié)構(gòu)體系，已被認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋產(chǎn)生裂縫的主要原因。根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)石柱縣某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行溫度荷載分析，分析比較在不同溫度荷載作用下的內(nèi)力分布情況。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)；有限元分析；溫度荷載；非線性

0、前言

隨著橋梁理論、技術(shù)、施工工藝的不斷發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)的截面形式更多及其，跨度更大。連續(xù)剛構(gòu)橋具有剛度大、穩(wěn)定性好、橋下凈空大、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，在跨大河峽谷的橋型選擇中極具優(yōu)勢(shì)[1]。

為了了解橋梁結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模擬對(duì)比等一系列方法，對(duì)一些橋梁結(jié)構(gòu)做了大量的工作。為往后的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而本文主要通過石柱縣預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔鶕?jù)規(guī)范要求，考慮均勻荷載作用和梯度荷載作用對(duì)大跨度橋梁的影響。

溫度荷載，現(xiàn)稱溫度作用，對(duì)于靜定結(jié)構(gòu)來說只有溫度自應(yīng)變和溫度自應(yīng)力。對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)來說存在多余約束，還會(huì)產(chǎn)生由多余約束引起的溫度次應(yīng)變和溫度次應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，溫度荷載在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力有時(shí)大到超過了混凝土的容許拉應(yīng)力，甚至比結(jié)構(gòu)所受的活荷載產(chǎn)生的截面應(yīng)力還要大。國內(nèi)外的眾多學(xué)者在研究很多橋梁的破壞事故以后也認(rèn)為，日福射、大氣溫度及其他某些外界因素的日過程在橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是造成橋梁破壞的主要原因[234]。因此，在橋梁設(shè)計(jì)和施工過程中必須重視溫度效應(yīng)帶來的影響，對(duì)溫度效應(yīng)進(jìn)行研究顯得尤為必要。

溫度影響一般包括兩種部分：年溫差影響與局部溫差影響。所謂年溫差影響，指氣溫隨季節(jié)發(fā)生周期性變化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)物所引起的作用。一般假定溫度在構(gòu)件內(nèi)均值變化；對(duì)無水平約束的結(jié)構(gòu)如簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁等，年溫差只引起結(jié)構(gòu)的均勻伸縮，并不導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度次內(nèi)力（活著溫度應(yīng)力）；對(duì)結(jié)構(gòu)的均勻伸縮收到約束時(shí)，年溫差將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度次內(nèi)力，如拱式結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)及部分斜拉橋結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。而局部溫差影響，一般指日照溫差或者混凝土水化熱等影響?；炷了療嵋鸾Y(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度變化，問題較為復(fù)雜，但可在施工中用溫度控制的方法予以調(diào)節(jié)。目前在各國規(guī)范中，橋梁溫度應(yīng)力計(jì)算一般不包括此項(xiàng)影響，在此亦不討論[56]。

我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）將橋梁結(jié)構(gòu)處于自然環(huán)境中所受的溫度作用分為兩種，梯度溫度作用和均勻溫度作用[7]。

溫度梯度溫度梯度是指當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)在受到日照輻射的影響之后，主梁截面溫度沿梁高變化的形式。溫度梯度模式大致可以分為兩類：線性溫度變化和非線性溫度變化兩種[8]。如下圖2所示。對(duì)于該建設(shè)項(xiàng)目，箱梁的溫度梯度按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》 （JTG D60-2004）第4.3.10.3取值。正溫度梯度T1=14℃，T2=5.5℃；負(fù)溫度梯度T1=-7℃，T2=-2.75℃。

均勻溫度作用是指橋梁結(jié)構(gòu)在受到日照輻射的影響之后，主梁截面溫度整體上升、整體下降的形式。根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)勘察資料可得出具體數(shù)據(jù)。按照工程實(shí)例，結(jié)構(gòu)體系升溫為20℃，結(jié)構(gòu)體系降溫取-20℃。

以下將以石柱縣預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，重慶市石柱縣S302線沿溪大橋?qū)儆谌龒{工程后續(xù)規(guī)劃基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，位于石柱縣沿溪鎮(zhèn)與忠縣復(fù)興鎮(zhèn)交界的長江口支流沿溪河上，處于石柱墊江公路（即S302線）K90+090.00，南距石柱縣城85KM，北距第二港西沱古鎮(zhèn)25KM，東距湖北利川150KM，與忠縣現(xiàn)成相距13KM。

沿溪大橋全長270KM，設(shè)計(jì)橋型為（70+120+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土鋼構(gòu)連續(xù)橋。橋梁全寬為12.5m，其中9.0m行車道，兩側(cè)各1.75m人行道。主梁采用C50混凝土，主墩才用C40混凝土。全橋總體布置圖如下圖3所示：

1、計(jì)算方法及模型

1.1 計(jì)算方法

本文主要采用Midas有限元軟件，根據(jù)我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》對(duì)該模型的溫度荷載進(jìn)行分析，主要分為四個(gè)工況，分別為整體溫降和梯度溫度共同作用、單獨(dú)梯度溫度作用、僅單獨(dú)整體溫降作用以及不考慮溫度荷載作用，比較這四個(gè)工況作用下的內(nèi)力分布情況，分析溫度荷載對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的影響，如下表1所示。

1.2 計(jì)算模型

利用Midas進(jìn)行計(jì)算。全橋離散為平面桿系單元、共120個(gè)節(jié)點(diǎn)，105個(gè)單元。

其中永久荷載包括混凝土結(jié)構(gòu)自重、混凝土收縮與徐變、預(yù)應(yīng)力等；活載考慮車道面、人群、溫度荷載等。而這里我們僅從以下四個(gè)工況來討論溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，計(jì)算模型如下圖4所示。

1.3 結(jié)果分析

本結(jié)構(gòu)模型有105單元，這里我們僅考慮上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況，由于單元節(jié)點(diǎn)過多，考慮篇幅問題這里我們僅選取端點(diǎn)、1/4節(jié)點(diǎn)、中間、3/4節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)力進(jìn)行比較。

從軟件Midas中我們可以看出該模型中溫度荷載對(duì)扭矩、剪力-y、彎矩-z不產(chǎn)生影響。同時(shí)提取軸向力、剪力-z、彎矩-y相關(guān)數(shù)據(jù)，以工況一作為基礎(chǔ)比較其他三種工況相對(duì)于工況一的差值百分比。如下表1.1—表1.3所示。

（1）通過以上模型試驗(yàn)，對(duì)該大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋而言，結(jié)構(gòu)整體升降溫對(duì)結(jié)構(gòu)扭矩，Y方向剪力，Z方向彎矩均不產(chǎn)生影響。

（2）從該模型中可以看出，由于整體溫降沒有結(jié)構(gòu)模型中產(chǎn)生過大的多余應(yīng)力，整體溫降對(duì)整個(gè)模型的內(nèi)力變化不是很大，可以控制在10%以內(nèi)。

（3）通過以上模型試驗(yàn)，對(duì)該大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋而言，由于規(guī)范才用線性溫度梯度的添加方式，溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)扭矩，Y方向剪力，Z方向彎矩均也不產(chǎn)生影響。

（4）從以上數(shù)據(jù)可以得出，針對(duì)于該模型，相對(duì)于整體溫降而言，溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)力影響較大，最高可以達(dá)到30%。

（5）由于在該模型中整體溫降和線性溫度梯度都是才用簡(jiǎn)單的線性添加方式，可以得出綜合考慮溫度梯度和結(jié)構(gòu)整體升降溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響為單獨(dú)考慮結(jié)構(gòu)整體溫降對(duì)結(jié)構(gòu)的影響和單獨(dú)考慮溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響之和。

（6）相對(duì)于國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模擬對(duì)比等一系列方法，本試驗(yàn)僅考慮了簡(jiǎn)單的整體溫降和線性溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，而從該數(shù)據(jù)中也可以看出溫度荷載對(duì)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)力影響較大，為大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的安全使用帶來了很大的安全隱患，應(yīng)當(dāng)給與重視。

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