湯旻雨，單德山，張二華，周憲超

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

近年來統(tǒng)計(jì)資料和研究表明，混凝土曲線橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)支座脫空、梁體翹曲、梁體頂板縱向裂縫等不良現(xiàn)象，均與溫度作用有關(guān)[1-2]。目前國內(nèi)外對曲線斜拉橋的溫度效應(yīng)研究相對較少，大多數(shù)是基于曲線梁橋的溫度效應(yīng)研究。其中，Rboberts-Wollman等[3]通過對比分析得出預(yù)測正溫差的方程，并建立了溫度梯度與橋梁變形之間的關(guān)系；姜有鑫[4]通過對曲線梁橋溫度效應(yīng)進(jìn)行有限元模擬分析，得出了梯度溫度對曲線梁橋支座反力的影響規(guī)律；何翔[5]分析了不同曲率半徑下溫度對曲線梁橋的影響規(guī)律；Lee等[6]對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋溫度變化差異和溫度變形問題進(jìn)行了分析；Zhang等[7]對曲線箱梁在不同梯度溫度場作用下的應(yīng)力和變形作出了相關(guān)研究。而曲線斜拉橋受力體系不同于曲線梁橋，其具有彎橋獨(dú)特的彎扭耦合力學(xué)特性又具有斜拉橋體系的受力特征，溫度效應(yīng)對其影響尚不明確，有待進(jìn)一步研究[8-9]。

本文以剛果布拉柴維爾濱河大道橋?yàn)楣こ瘫尘?，?個(gè)不同曲率半徑斜拉橋模型為例，分別計(jì)算其在季節(jié)溫差和梯度溫度工況下主梁豎向位移、支座反力的變化情況，分析溫度荷載對曲線斜拉橋主梁位移及支座反力的影響規(guī)律。

1 工程概況

1.1 構(gòu)造形式

剛果布拉柴維爾濱河大道橋?yàn)橐蛔骺?85 m的雙塔五跨混凝土斜拉橋。由于道路主線受到區(qū)域條件限制，無調(diào)整余地，主橋一側(cè)邊跨與1/3主跨位于半徑R=550 m小半徑平曲線上。主橋采用雙塔雙索面半漂浮結(jié)構(gòu)體系，橋梁跨徑布置為(49+81+285+81+49)m。主梁為Π形雙邊主梁，采用C45和C55預(yù)應(yīng)力混凝土。梁高2.3 m，橋?qū)?2.0 m，頂面設(shè)置雙向2.5%橫坡。P4橋墩處支座選用抗扭固定支座，P1，P5處外側(cè)支座選用雙向活動(dòng)支座，其余支座均采用抗扭單向活動(dòng)支座。橋梁總體布置及支座布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置及支座布置(單位：cm)

1.2 計(jì)算模型

基于有限元軟件MIDAS/Civil，分別建立了9個(gè)不同曲率半徑的斜拉橋模型，即R=350，450，550，650，750，950，1 250，1 500，2 000 m。Π形主梁截面雙肋和鋼筋混凝土橋塔均采用梁單元模擬，主梁橋面板采用板單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬[10]。全橋共劃分為實(shí)體單元 4 008 個(gè)，節(jié)點(diǎn) 3 973 個(gè)，主要材料及力學(xué)性能如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)材料及力學(xué)性能 MPa

2 梯度溫差

參照J(rèn)TG D60—015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[11]布置梯度溫度，如圖2所示。主梁梯度溫度正溫差T1取16.4 ℃，T2取5.98 ℃；主梁梯度溫度反溫差T1取-8.2 ℃，T2取-2.99 ℃。

圖2 豎向溫度梯度布置

2.1 主梁豎向位移

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制主梁在梯度溫差荷載下的內(nèi)外側(cè)豎向位移差值曲線，如圖3所示，其中撓度差為主梁外側(cè)豎向位移減內(nèi)側(cè)豎向位移的差值。

圖3 梯度溫度下主梁內(nèi)外側(cè)豎向位移差值

由圖3可知，在梯度溫差作用下，直線梁段部分主梁內(nèi)外側(cè)豎向位移的差值很小，而曲線梁段會(huì)產(chǎn)生較為明顯的內(nèi)外側(cè)豎向位移差，進(jìn)而影響梁體的整體穩(wěn)定性。梯度正溫差下，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，其差值為-16.381 mm，當(dāng)R=350 mm時(shí)，其差值為-36.982 mm，相對增大了125.8%；梯度負(fù)溫差下，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，其差值為8.311 mm，當(dāng)R=350 mm時(shí)，其差值為18.611 mm，相應(yīng)增大了123.9%。梁內(nèi)外側(cè)豎向位移差最大值發(fā)生在梯度正溫差下沿線路前進(jìn)方向172.3 m 處。

2.2 豎向支座反力

在梯度溫差荷載下，各支座豎向反力變化情況如圖4所示，其中支座反力差為外側(cè)支座反力減內(nèi)側(cè)支反力。

圖4 梯度溫度下主梁內(nèi)外側(cè)支座反力內(nèi)外側(cè)差值

由圖4可知，梯度正溫差下，曲線段支座P0，P1，P2外側(cè)反力均大于內(nèi)側(cè)反力，且隨著曲率半徑的不斷減小，內(nèi)外側(cè)反力差值呈非線性增大。梯度負(fù)溫差對支座反力的影響與正溫差相反，而直線梁段處內(nèi)外側(cè)反力差值的變化量隨著曲率半徑的減小浮動(dòng)不大，可忽略不計(jì)。梯度正溫差下，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，P0，P1，P2處支座內(nèi)外側(cè)反力差值分別為14.33，10.2，4.41 kN；當(dāng)R=350 m時(shí)，P0，P1，P2支座反力內(nèi)外側(cè)差值分別增大到68.77，51.58，22.59 kN，分別增大了379.9%，405.7%，412.2%。梯度負(fù)溫差下，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，P0，P1，P2處支座反力內(nèi)外側(cè)差值分別為-11.29，-5.1，-2.21 kN；當(dāng)R=350 m時(shí)，P0，P1，P2支座反力差值分別增大到-42.32，-25.79，-11.24 kN，分別增大了274.8%，405.7%，408.6%。

3 系統(tǒng)溫差

剛果布拉柴維爾濱河大道橋所在地布拉柴維爾市，年平均氣溫為25 ℃，歷年最高溫度37 ℃，歷年最低溫度15 ℃，故設(shè)置整體升溫工況12 ℃，整體降溫工況-10 ℃。

3.1 主梁豎向位移

整體溫度下主梁內(nèi)外側(cè)豎向位移差值如圖5所示，其中撓度差為主梁外側(cè)豎向位移減內(nèi)側(cè)豎向位移的差值。

圖5 整體溫度下主梁內(nèi)外側(cè)豎向位移差值

由圖5可知，整體升溫時(shí)，全橋主梁外側(cè)豎向位移均小于內(nèi)側(cè)豎向位移，即全橋大部分主梁外側(cè)均低于內(nèi)側(cè)，此時(shí)主梁會(huì)產(chǎn)生向外翻轉(zhuǎn)的趨勢，且隨著曲率半徑的減小，趨勢越明顯。同理，整體降溫會(huì)使全橋主梁產(chǎn)生向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的趨勢。整體升溫時(shí)，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，該處主梁內(nèi)外側(cè)撓度差為-10.746 mm；當(dāng)R=350 m時(shí)，該處主梁內(nèi)外側(cè)撓度差為-17.936 mm，相應(yīng)增大了66.91%。整體降溫時(shí)，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，該處主梁內(nèi)外側(cè)撓度差為8.801 mm；當(dāng)R=350 m時(shí)，該處主梁撓度差為19.320 mm，相應(yīng)增大了119.52%。主梁內(nèi)外側(cè)撓度差最大值發(fā)生在整體升溫時(shí)沿線路前進(jìn)方向83.5 m處。

與梯度溫差的區(qū)別是系統(tǒng)溫差除了對主梁產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)趨勢外，還將影響主梁整體產(chǎn)生上拱和下?lián)?。根?jù)計(jì)算結(jié)果繪制了主梁中軸線豎向位移，如圖6所示。

圖6 整體溫度下主梁中軸線豎向位移

由圖6可知，整體升溫時(shí)，結(jié)構(gòu)主梁會(huì)出現(xiàn)中跨下?lián)?、邊跨上拱的現(xiàn)象。當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，該處主梁豎向位移為-8.423 mm，當(dāng)R=350 m時(shí)，該處主梁豎向位移為-25.971 mm，相對增大了208.33%。整體降溫時(shí)，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，該處主梁豎向位移為6.274 mm，當(dāng)R=350 m時(shí)，該處主梁豎向位移為25.234 mm，相應(yīng)增大了302.20%。主梁中軸線豎向位移最大值發(fā)生在整體降溫時(shí)沿線路前進(jìn)方向334.5 m處。

3.2 豎向支座反力

系統(tǒng)溫差作用下，曲線段處支座P0，P1，P2反力如圖7所示。

圖7 整體溫度下曲線段支座反力

由圖7可知，整體升溫時(shí)，曲率半徑的變化對P0處支座的影響最大，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，P0支座外側(cè)支反力為-20.66 kN，內(nèi)側(cè)支反力為25.99 kN；當(dāng)R=350 m時(shí)，P0支座外側(cè)支反力為-37.28 kN，內(nèi)側(cè)支反力為44.85 kN，分別增大了80.45%和72.57%。整體降溫時(shí)，當(dāng)R=2 000 m 時(shí)，P0支座外側(cè)支反力為10.74 kN，內(nèi)側(cè)支反力為-15.22 kN，當(dāng)R=350 m時(shí)，P0支座外側(cè)支反力為31.07 kN，內(nèi)側(cè)支反力為-37.38 kN，分別增大了189.30%和145.60%。

4 結(jié)論

1)梯度正溫差作用下，曲線外側(cè)主梁的豎向位移總是小于內(nèi)側(cè)主梁豎向位移，橋梁易發(fā)生向外翻轉(zhuǎn)的趨勢，且隨著曲率半徑的減小，翻轉(zhuǎn)趨勢越來越顯著。相反，梯度負(fù)溫差會(huì)使主梁產(chǎn)生向內(nèi)翻轉(zhuǎn)的趨勢。

2)梯度正溫差作用下，曲線外側(cè)支反力均大于內(nèi)側(cè)支反力，其中過渡墩支座所受影響最大。

3)整體升溫會(huì)使全橋梁段均產(chǎn)生向外傾翻的趨勢，但影響要小于梯度溫度正溫差，還會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)中跨上拱、邊跨下?lián)系内厔荨?/p>

綜上所述，在實(shí)際的小半徑曲線斜拉橋工程設(shè)計(jì)中，尤其是在曲率半徑較小時(shí)，應(yīng)充分考慮梯度溫差和系統(tǒng)溫差二者疊加對主梁帶來的影響，并應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)過渡墩支座的防護(hù)，以免出現(xiàn)安全隱患。