韓磊 方圓

摘要 π形斷面樁板式道路結構為敞口薄板結構，其溫度分布特性與傳統(tǒng)橋梁可能存在較大差異，現(xiàn)有規(guī)范中溫度荷載模型對樁板式結構存在一定的適用性問題。文章利用ANSYS有限元模型分析π形斷面樁板式道路結構溫度場分布特征，基于規(guī)范模型分別對升、降溫工況的溫度荷載模型進行優(yōu)化，采用優(yōu)化后溫度荷載模型計算π形斷面樁板式道路結構溫度效應，并與規(guī)范模型進行了對比。研究表明：提出的正溫差模型與規(guī)范模型大致相同，但負溫差模型通過考慮了肋部上下明顯溫差，相較于規(guī)范模型，能更好地反映π形斷面樁板式道路結構的溫度荷載效應分布特點。

關鍵詞 樁板式道路；π形斷面；溫度梯度；溫度效應；溫度荷載模型

中圖分類號 TV544文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0081-03

0 引言

混凝土結構長期承受外界溫度變化、太陽輻射等因素影響，導致混凝土構件溫度分布復雜，且各處溫度不斷變化。構件中出現(xiàn)明顯溫度梯度變化，以產生溫度自應力和溫度次應力，對橋梁結構的正常使用極為不利[1]。

國內外對不同結構的溫度分布及其荷載展開了一些研究。部分研究人員通過試驗對不同尺寸的T梁溫度分布進行研究，發(fā)現(xiàn)等比例放大對溫差影響較為明顯，而僅在高度發(fā)生變化時才對結構內溫差影響較小[2～4]。已有研究中大多關注結構和材料參數(shù)，缺乏基于氣象參數(shù)對結構影響方面的研究，導致敏感氣象時間段的溫度場研究出現(xiàn)空白，因此需要基于長時間溫度場的計算，獲取結構內部溫度場及應力場分布規(guī)律。此外，不同結構形式對溫度的傳遞規(guī)律有明顯差別，例如閉口結構和敞口結構在溫度傳遞方面就存在很大差異。為了對樁板式道路結構的溫度效應進行研究，該文以合樅高速公路為依托開展π形開口斷面的溫度荷載研究。

1 結構特點

合樅高速公路是國內首次采用大跨度樁板式道路結構的工程。這種結構的標準跨徑為12 m，由預制管柱、預制蓋梁和預制π形梁板拼裝組成。其采用π形斷面預制梁結構，單片寬度為3.17 m，肋板寬度為0.30 m，中板翼緣板厚度為0.22 m，見圖1。在π形梁板內設置先張預應力鋼絞線提高結構承載能力。標準斷面寬度為12.75 m，由四塊π板組成。

預制梁板與蓋梁之間采用濕接縫連接，形成墩梁固結結構。下部結構由3根直徑800 mm的高強度預制管柱組成。

2 溫度荷載研究方法

2.1 熱傳導基本理論

Fourier熱傳導微分方程為時間t及三維坐標（x，y，z）之間的函數(shù)關系，如式（1）：

經(jīng)過大量實驗，可以看出縱向的溫度分布較小，因此得到式（2）算式：

式中，α——混凝土導熱系數(shù)；T——混凝土溫度。

2.2 溫度場計算邊界條件[2]

計算邊界條件主要考慮對流邊界和輻射邊界，普通混凝土對流系數(shù)由風速計算得到式（3）：

式中，hc，i——第i時間步混凝土總對流換熱系數(shù)；vi——第i時間步的平均風速。

瀝青混凝土對流系數(shù)由風速，瀝青表面溫度及大氣溫度決定，見式（4）：

式中，hr，i——第i時間步瀝青對流換熱系數(shù)；Ts，i——第i時間步計算得到的瀝青表面溫度；Ta，i——第i時間步的大氣溫度。

3 樁板式道路結構溫度場分析

求解溫度場需要材料以及邊界兩個重要熱學參數(shù)。材料參數(shù)是指密度、導熱系數(shù)、比熱容等。邊界參數(shù)是初始溫度、輻射量、流體溫度等。部分參數(shù)需通過系列測試得出。

3.1 材料參數(shù)

由于試驗條件限制，在對溫度場進行數(shù)值模擬分析時，綜合考慮試驗結果、現(xiàn)有研究經(jīng)驗值[3]等確定材料熱學參數(shù)，見表1。

3.2 平面溫度場模型的建立

橋梁受太陽輻射沿縱向變化很小，故將橋梁由三維轉為二維建立溫度場模型，劃分后的π形斷面樁板式道路結構見圖2。

模型中建立包括初始溫度、熱輻射及對流荷載等邊界條件，其中，將熱輻射轉化為對流熱交換形式，即將熱交換系數(shù)和空氣綜合溫度施加到有限元模型中[4]。

3.3 平面溫度場分析

最大溫差時刻，π形斷面樁板式道路結構的溫度分布云圖見圖3。

由計算結果可知，升溫工況下，在20：00時截面豎向正溫差最大，頂板溫度最高達49.1 ℃，主梁底部溫度最低達33.7 ℃。降溫工況下，在9：00時截面負溫差最大，頂板內部溫度最高可達?3.5 ℃，主梁底部溫度最低達?7.3 ℃。

4 樁板式道路溫度荷載模型研究

溫度梯度反映了截面最不利溫度分布形式，進行溫度場計算的目的就是為了獲得最大溫度梯度[5]。提取各工況溫差最大時刻下π形梁截面頂板至主梁底部節(jié)點的溫度，見圖4。

基于現(xiàn)有規(guī)范的梯度溫度荷載模式，將溫度曲線根據(jù)距頂板0.4 m位置處歸零計算，得到截面豎向正反溫差曲線見圖5。從圖5可知，計算獲得的豎向正溫差與規(guī)范規(guī)定十分接近，而負溫差曲線則有較大的不同。因此，可以認為，正溫差梯度溫度模型仍可遵循規(guī)范的溫度荷載模式進行取值，但負溫差梯度溫度模型則需按照實際得出的溫差曲線進行修改校正。

5 樁板式道路結構溫度響應分析

為了與規(guī)范規(guī)定的梯度溫度取值的計算結果進行比較分析，基于計算的梯度溫度荷載值，采用Midas Civil有限元軟件建立樁板式結構整橋（7×12 m）空間桿系模型。

5.1 撓度變形比較

利用現(xiàn)有規(guī)范及該文模型，分別計算7×12 m跨徑的π形斷面樁板式道路結構的最大變形情況，見表2。由表2可知，由規(guī)范溫度荷載模型計算得到的結構位移響應總體偏小，與該文模型偏差在15%～18%之間。

5.2 應力比較

π形斷面樁板式道路結構的最大應力情況對比，見表3。

由表3可知，梯度升溫情況下，截面上緣受壓，規(guī)范模型的計算結果較該文模型偏大6%；截面下緣在主梁聯(lián)端受壓、跨中處受拉，規(guī)范模型的計算結果較該文模型偏小13%。梯度降溫情況下，對于主梁截面上緣，由規(guī)范模型計算結果為受拉，與實際情況不符，且規(guī)范計算的上緣拉應力偏大，且大于該文模型3.5倍；而采用該文模型計算結果為主梁聯(lián)端受壓、跨中受拉，且最大拉應力僅為0.4 MPa，與實際情況更相符；而對于截面下緣，各模型計算結果均為聯(lián)端受拉、跨中受壓，且應力值基本相同。

6 結論

對π形斷面樁板式道路結構溫度荷載分布特性進行了分析，基于規(guī)范提出了適用于對應的溫度荷載模型。主要研究結論如下：

（1）根據(jù)π形斷面樁板式道路結構計算溫度場擬合溫度曲線，推薦的正溫差溫度曲線與規(guī)范模型較為接近；由于π形斷面散熱較快，推薦的負溫差模型與規(guī)范模型有所差別。

（2）升溫工況下，推薦模型計算的計算結果較規(guī)范模型上緣應力略偏小、下緣應力略偏大；梯度降溫情況下，采用規(guī)范模型的截面上緣應力計算結果明顯偏大且與結構實際受力不符，而截面下緣基本相同。

參考文獻

[1]郭淮， 胡淑文， 張強. 基于有限元熱傳導理論的大體積混凝土溫度場研究[J]. 海河水利， 2023（3）： 80-83.

[2]劉興國， 陶成云， 黃巍. 寒區(qū)橋面鋪裝的溫度場敏感性及溫度梯度[J]. 山東交通學院學報， 2023（1）： 64-75.

[3]姚俊杰. 大跨度鋼箱梁懸索橋溫度效應的空間特性研究[D]. 廣州：華南理工大學， 2020.

[4]惠迎新， 孫曉榮， 王紅雨， 等. 大跨變截面混凝土箱梁施工期溫度效應研究[J]. 公路交通科技， 2023（1）： 98-105.