馬 成 時小兵 陳家龍

(1.中國建筑第四工程局有限公司珠海分公司，廣東 珠海 519000； 2.重慶大學土木工程學院，重慶 400045)

0 引言

隨著我國科技與經(jīng)濟的發(fā)展，橋梁建筑技術不斷提高，以薄壁、大跨、輕型為特點現(xiàn)代橋梁極好的適應了我國橋梁的發(fā)展形勢。薄壁空心高墩改變了以往粗、大、實的墩體結構，滿足橋梁各種造型需要，已成為現(xiàn)代橋梁的主流墩體。墩身高度的增加使得施工期間產(chǎn)生的誤差也將增大，從而使高墩垂直度測量控制變得更加困難。大量研究表明，溫度荷載、風荷載以及施工偏載等都將影響施工中超高墩的垂直度，其中，溫度變化中的日照溫差是引起超高墩偏位的最大因素之一[1]。

文獻[1]對中、英、美3國規(guī)范的溫度梯度效應進行比較，分析其在考慮分項系數(shù)后的應力貢獻。文獻[2]對中國規(guī)范與英國BS5400規(guī)范從體系溫差、截面溫度梯度進行對比分析，得到T型截面正溫度梯度的自應力較大，在橋梁設計中應慎重選擇截面溫度梯度。文獻[3]詳細介紹了英國BS5400溫度規(guī)范、美國AASHTO規(guī)范、德國DIN101規(guī)范、新西蘭橋梁設計規(guī)范、中國公路與鐵路橋梁設計規(guī)范。建立了各國規(guī)范關于豎向溫度梯度規(guī)定的對比。得出了在不同規(guī)范溫度梯度作用下，各國規(guī)范對混凝土箱梁應力的影響。文獻[4]基于各國家地區(qū)橋梁規(guī)范提出了箱梁梯度溫度效應的模擬方法。文獻[5]按照《1985規(guī)范》《2004規(guī)范》《2015規(guī)范》三部規(guī)范中所定義的梯度溫度荷載模式，計算并對比混凝土寬箱梁在不同荷載模式下的溫度效應。得出按照《2015規(guī)范》進行溫度設計偏于安全，且更符合實際工況。文獻[6]對國內(nèi)外規(guī)范的混凝土橋梁截面豎向溫度梯度模式進行比較，得出了在正溫差梯度模式下，新西蘭橋梁規(guī)范NZBW—2003模式的溫度作用效應較大，負溫度梯度模式下，歐洲規(guī)范EN1991—1—5模式的溫度自應力較大，美國規(guī)范AASHTO—2005和我國公路規(guī)范JTG D60—2004較?。欢趽隙确矫妫覈芬?guī)范JTG D60—2004得到較大值，歐洲規(guī)范EN1991—1—5和美國規(guī)范AASHTO—2005則較小。

通過上述分析可發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外學者對溫度作用下的橋梁結構響應做出了大量研究，但主要集中在考慮溫度對混凝土箱梁的影響，對溫度荷載作用下各國規(guī)范對高墩偏位值的影響分析較少，同時國內(nèi)外橋梁設計規(guī)范對混凝土橋梁結構的溫度荷載的規(guī)定，僅僅只是對混凝土空心截面梁有所規(guī)定，而對于混凝土薄壁空心橋墩沒有具體的取值?；诖吮疚谋容^各國規(guī)范溫度梯度荷載作用下對混凝土高墩偏位值的影響。

1 各國規(guī)范對箱梁豎向溫度梯度的規(guī)定

1.1 英國BS5400規(guī)范

英國規(guī)范對混凝土橋梁的溫度梯度的規(guī)定如圖1所示。規(guī)范綜合考慮了大氣溫度、大氣折射率、太陽輻射、逆輻射等多種因素對混凝土升溫的影響。

1.2 中國鐵路橋梁設計規(guī)范

中國鐵路規(guī)范是以劉興發(fā)提出的指數(shù)分布形式，參照橋面類型，箱梁方向，規(guī)定不同的h3溫差曲線參數(shù)，如圖2所示。

1.3 新西蘭橋梁設計規(guī)范

新西蘭橋梁設計規(guī)范定義混凝土在距外表面1 200 mm內(nèi)的溫度梯度。以5次冪函數(shù)的拋物線變化?？紤]橋面瀝青鋪裝層對初始溫差的影響，如圖3所示。

2 各國規(guī)范擬合下的溫度場分布公式

2.1 橋梁概況及溫度測點布設

某特大橋全長412 m，主橋上部結構為106 m+200 m+106 m的三跨連續(xù)鋼構橋，其中小里程方向的墩為147 m超高雙肢薄壁空心墩，墩身橫橋向寬8.5 m，順橋向寬3.5 m，雙肢間距為7.0 m。為驗證混凝土箱梁升溫曲線在混凝土高墩中的適用性，得到混凝土高墩溫度場最不利分布。在順橋向與橫橋向方向距離基礎15 m布置48個溫度測點，具體的布置方式如圖4所示。

2.2 實測溫度場數(shù)據(jù)分析及擬合

利用埋設的溫度測點，對施工過程中的日照溫差進行了長達數(shù)月的監(jiān)測，限于篇幅，僅給出某晴天(9月30日)下各測點的實測溫度值如圖5所示。

國內(nèi)幾種溫度規(guī)范僅對箱梁的溫度梯度有所規(guī)定，而對橋墩的溫度場沒有具體取值?；炷辽郎氐臏囟忍荻饶Ｊ街校挛魈m規(guī)范以冪函數(shù)、中國橋梁規(guī)范以e為底的指數(shù)函數(shù)、英美規(guī)范按照折線函數(shù)作為升溫函數(shù)。為對比各國溫度規(guī)范對混凝土橋梁偏位值影響。隨機選取4個晴天內(nèi)向陽側橋墩內(nèi)、外溫差最大時刻的相對溫度列于表1，其中基準溫度以墩身內(nèi)壁板的溫度為準。

表1 向陽側沿壁厚方向溫度觀測數(shù)據(jù)表

將實測數(shù)據(jù)按照英國橋梁規(guī)范、新西蘭橋梁規(guī)范與中國鐵路橋梁規(guī)范擬合。

按照新西蘭橋梁設計規(guī)范規(guī)定，混凝土高墩溫度梯度是以5次冪函數(shù)為升溫梯度。1 200 mm之后混凝土溫度不發(fā)生改變。T0取距外表0 m實測溫度數(shù)據(jù)平均值。

T0=11.2(y/1 200)5。

按照中國鐵路規(guī)范采用指數(shù)曲線擬合薄壁空心墩沿壁厚方向的溫度分布：

Ty=T0ye-αy

(1)

運用最小二乘法理論擬合日照溫度梯度曲線，得到4個觀測日的最大溫差T0y和系數(shù)a，如表2所示。

表2 不同測量時期下指數(shù)分布系數(shù)

表3 不同工況下墩頂位移值 mm

由于上述四個觀測日溫差數(shù)據(jù)的擬合系數(shù)a不相同，取平均值擬合出沿壁厚方向的溫度梯度函數(shù)。

Ty=Toye-7.2y。

3 薄壁空心超高墩日照溫差位移計算

有限元模型建立。采用ANSYS有限元軟件建立超高墩實體模型，混凝土橋墩采用Solid45號單元模擬，截面尺寸按大橋施工圖取值，建立的有限元模型截面如圖6所示。

為對比不同橋涵規(guī)范規(guī)定的溫度梯度對高墩垂直度產(chǎn)生的效應。模型溫差按照三種工況進行加載。工況一考慮順橋向方向受日照輻射。工況二考慮橫橋向方向受日照輻射。工況三考慮橫橋向與順橋向方向同時受日照輻射。三種工況下日照輻射情況如圖7所示。

通過擬合出的三種溫差曲線模式和實測的溫度荷載進行加載，求得三種工況作用下薄壁空心超高墩墩頂日照溫差位移值，各工況有限元計算偏位值如表3所示。

分析表3數(shù)據(jù)可以得出：

1)在高墩順橋向或橫橋向單側受到日照輻射時。按照英國橋梁規(guī)范BS5400加載得到墩頂位移值與實測溫度加載得到的墩頂位移值較接近。但是以英國橋梁規(guī)范計算的墩頂位移值比實測溫度加載下的位移值小。

2)中國橋梁規(guī)范與新西蘭橋梁設計規(guī)范加載得到的墩頂位移值較接近。但兩者相較于實測溫度加載下的位移值都偏大，中國規(guī)范更加保守。

4 結論與展望

1)通過對比分析，我國現(xiàn)行中國JTJ D60—2015公路橋涵設計規(guī)范規(guī)定的溫度梯度對高墩垂直度的影響效應較大，計算結果偏保守。中國規(guī)范對溫度場的分布沒有考慮地域差異，建議將我國劃分日照輻射區(qū)，設定不同的指數(shù)系數(shù)區(qū)，更合理的擬合高墩溫度場分布曲線。

2)各國橋涵設計規(guī)范考慮不同的影響因子，根據(jù)本地區(qū)的地理位置、太陽輻射角度、太陽輻射強度、對流系數(shù)，繪制不同的混凝土升溫曲線。太陽輻射產(chǎn)生的溫度效應，局部應力不平衡，在橋梁設計與建設中不可忽視。