客運專線連續箱梁豎向溫差取值探討

寇延春

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

客運專線連續箱梁豎向溫差取值探討

寇延春

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

為研究客運專線箱梁豎向溫差荷載對結構受力的影響,對比分析美國、英國、日本及中國四種不同橋梁規范給定的非線性日照溫度曲線,結合3跨變截面連續箱梁實例,計算不同橋梁規范非線性日照溫度下結構截面的溫度應力,表明我國鐵路規范規定的溫差荷載對結構使用階段受力影響相對較大。結合我國客運專線橋梁結構實際情況,考慮橋面軌道結構對橋面溫差的折減效應,提出我國客運專線箱梁橋豎向溫差選取的建議。

客運專線;連續箱梁;溫差荷載;鐵路規范;結構分析

1 概述

在客運專線無砟軌道連續箱梁結構中,橋面豎向溫差對橋梁結構受力和變形影響顯著。我國現行《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》(TB10002.3—2005)[1](以下簡稱“鐵路規范”),僅給出有砟和無砟無枕的箱梁結構日照溫差分布圖,有砟箱梁不考慮梁高方向的溫差荷載,無砟無枕箱梁考慮梁高和梁寬方向的溫差荷載;沒有給出客運專線無砟有板情況下橋面豎向溫差荷載的計算模式。由于客運專線箱梁無砟軌道板對橋面溫度的影響,采用現行鐵路規范無砟有枕箱梁溫差模式計算與結構實際溫差應力明顯不符,現階段對于客運專線箱梁橋結構如何選取日照溫差、降溫溫差及由此計算箱梁溫度應力,還缺乏系統深入的研究。

結合某連續梁橋實際工程,根據現行我國鐵路規范,通過對國內外幾種規范所規定的溫度梯度模式的計算和分析,比較橋面梯度溫度對橋梁結構影響的差異,提出我國客運專線箱梁橋豎向溫差選取的建議。

2 客運專線橋梁橋面布置

我國客運專線橋梁大量采用預應力混凝土箱梁結構、無砟軌道。典型雙線橋面布置如圖1所示。

圖1 典型橋面布置(單位:cm)

橋面寬度13.4 m,防護墻外側至欄桿內側寬1.7 m,防護墻內側凈寬9.4 m;橋面兩側設置人行道板及遮板;防護墻內側設置無砟軌道板及其基座,每塊軌道結構寬2.4～2.8 m,與頂板混凝土剛性連接,其余部位僅設置橋面防水層和保護層,厚度6 cm。

選取工程實例(70+125+70)m預應力混凝土連續梁為研究對象。全長266.5 m,跨中及邊支點處梁高5.2 m,中支點處梁高采用9.2 m;箱梁橋面寬13.4 m,箱梁底寬8.2 m。箱梁頂板厚0.50 m,中支點附近局部頂板厚0.65 m。底板厚度由跨中的488.5 cm,按圓曲線變化至中支點根部的107.5 cm。箱梁采用直腹板,腹板厚0.45～0.65～85 cm,中支點附近腹板局部加厚至1.5 m,C55混凝土。箱梁橫斷面見圖2。

圖2 箱梁橫斷面(單位:cm)

計算參數:二期恒載155.7 kN/m,相鄰兩支點不均勻沉降差均不大于2.0 cm;錨口及喇叭口損失按錨外控制應力的6%計算,管道摩阻系數取0.23,管道偏差系數取0.002 5;松弛損失、收縮徐變及其他各項損失均按鐵路規范計算。設計合龍溫度取16～20℃,均勻溫差按升降溫20℃。

計算模型:計算采用平面有限元理論建立全橋有限元模型進行計算分析,共劃分為90個單元,結構計算簡圖見圖3,計算中對于曲線溫度梯度模式,采用多點擬合的方法進行模擬,折線型溫度模式按規范規定計算。

圖3 梁體結構計算簡圖

3 不同規范箱梁溫差模式的比較

3.1 國內外規范箱梁溫差模式

由于不同國家和地區溫度變化較大,選取與我國基本同緯度地區的美國、英國(歐洲)、日本等進行比較。

(1)美國AASHTO規范,溫差分布沿梁高按折線變化,如圖4所示。

圖4 美國AASHTO規定的溫差梯度模式(單位:mm)

圖中h表示梁高,當h≥400 mm時,A=300 mm;當h＜400 mm時,A=h-100 mm。T3的取值小于3℃,在沒有進行確切的現場調查的情況下可取為0。負溫度值應取為圖中表格中的規定值乘以-0.5。

(2)英國BS5400規范,正負溫差梯度模式如圖5所示。

圖5 英國橋規BS5400規定的溫差梯度模式

歐洲結構規范EN1991—1—1:2004,關于溫度作用部分的規定基本上沿用了英國規范BS5400的體系,采用的豎向溫度模式與英國規范BS5400所規定的相同。

(3)日本規范:日本道路橋梁設計標準,關于豎向溫度梯度的規定,在混凝土結構中溫度變化的范圍,根據不同地區的平均氣溫確定。一般情況下,限度升降可分別采用15℃。根據橋面板和其它部分的溫度差計算斷面內的應力時,溫差以5℃為標準;溫度分布在橋面和其它部分內分別認為是均勻的。

(4)中國鐵路規范:日照溫差荷載,有砟箱梁只考慮沿梁寬方向的溫差荷載,無砟無枕箱梁應分別考慮沿梁高方向的溫差荷載和兩個方向的組合溫差荷載。箱梁沿梁高、梁寬方向的溫差曲線為指數函數(圖6),可按下式計算

式中 Ty、Tx——計算點Y處的溫差,以℃計;

T01、T02——箱梁梁高方向或梁寬方向的溫差,以℃計,

y、x——計算點至箱梁外表面的距離,以m計;

a——僅考據豎向溫差,取5。

降溫溫差荷載,箱梁沿頂板、外腹板板厚溫差曲線的指數a采用14,相應T0采用-10℃。

3.2 溫差模式比較

綜合表1及溫差圖示可以看出:(1)正溫差梯度模式中,美國AASHTO規范和英國BS5400規范均為雙折線模式,日本規范為頂板矩形均勻分布模式,而我國鐵路規范是以自然對數e為底的指數曲線模式; (2)美國AASHTO規范和英國BS5400規范給出了豎向負溫差模式,且均為雙折線,英國BS5400規范明確考慮了梁底溫差;日本規范則不考慮降溫溫差;(3)中國鐵路規范橋面豎向溫差特征值介于美國規范和英國規范之間,但豎向日照升溫溫差影響高度最大,降溫溫差影響高度較小;(4)由于底板終年不受日照,底板內外表面的溫度變化也較小,美國、日本和中國鐵路規范均略去底板微小溫度變化的影響。

圖6 中國鐵路規范箱梁溫差分布

表1 各規范溫差模式比較

3.3 計算結果分析

橋面采用素混凝土鋪裝,按各規范規定溫差值進行計算比較,梁部其余計算參數取值相同,升溫作用下控制截面應力值及撓度計算結果見表2、表3。

表2 升溫作用下截面應力值MPa

表3 升溫作用下撓度值mm

計算結果表明:(1)豎向溫差荷載對主梁應力影響較大,但不同國家規范所規定的溫度梯度模式差異較大;(2)對溫差效應影響較大的因素為溫度梯度的特征值和溫度梯度的非線性形式,特征值較大的溫度梯度產生的撓度和應力均相對較大;(3)我國鐵路規范規定的溫度梯度模式的計算結果升溫時上緣壓應力介于美國AASHTO規范和英國BS5400規范之間,下緣拉應力較大,但與美國AASHTO規范基本一致,說明豎向溫差高度增大對溫差應力影響增大;(4)我國鐵路規范升溫作用下中跨跨中截面下緣產生了較大的拉應力,且跨中撓度值最大;日本規范計算截面上緣壓應力值最小。

3.4 合理溫差模式分析

現行我國鐵路規范對有砟箱梁不考慮梁高方向的溫差荷載,對于無砟無枕箱梁考慮梁高和梁寬方向的溫差荷載,但沒有給出無砟有板情況下橋面豎向溫差荷載的計算模式。由于客運專線箱梁軌道板對溫度的折減效應,采用鐵路規范無砟有枕箱梁的溫差計算得到的箱梁橋溫度應力偏大,與結構實際溫差應力不符,造成箱梁部分指標難于控制,甚至造成結構材料的浪費和結構受力的影響。因此,筆者認為現階段箱梁橋結構設計中,應合理考慮橋面結構對溫差的折減效應。

4 客運專線箱梁豎向溫差取值

4.1 豎向溫差的取值

我國客運專線無砟軌道板有3種類型:Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板,無論是雙塊式還是板式,軌道板結構最小高度0.43 cm,軌道板最小寬度2.4 m,占防護墻內側總寬度的51%,防護墻外側人行道分別設置了電纜槽和遮板、欄桿等,箱梁頂板實際直接承受日照溫差的橋面有效寬度已不足50%。根據鐵路規范日照溫差公式,特征值分別選取升溫10～20℃計算溫差對梁體作用效應,如圖7所示。

圖7 不同溫差作用下梁體應力值

從圖7可以看出,溫差對梁體產生應力效應,隨著溫差特征值的增大基本呈線性變化,梁體上緣應力在14℃時,上緣壓應力為4.5 MPa左右,與英國BS5400規范基本接近;梁體下緣拉應力在支點處較小,在跨中截面下緣產生約1.4 MPa拉應力,略大于日本規范,但小于美國AASHTO規范。綜合國外橋梁規范,考慮我國客運專線橋面軌道結構遮蓋以及混凝土的傳熱遞作用,同時考慮一定的安全儲備,認為箱梁橋面豎向溫差按14℃取值,即規范值的0.7倍進行縱向計算較為合理,修正后的豎向溫差仍以指數曲線表示截面豎向溫度梯度[10],即日照溫差Ty=14e-5y,降溫差公式為Ty=7e-14y,與英國BS5400規范溫差特征值基本一致,但更偏于安全。

4.2 橋梁設計計算結果對比

實際工程實踐中,由于對箱梁豎向溫差模式缺乏研究,往往根據經驗取值計算。一般在有砟軌道箱梁結構中,主跨大于64 m的預應力混凝土連續梁,偏安全起見考慮了頂板5℃的局部溫差,與日本道路橋梁設計標準基本類似;無砟軌道考慮頂板受太陽直接照射的影響,頂板局部溫差按8℃計算,多年來運營實踐表明,采用上述經驗值進行結構計算結構是可靠的。

采用規范溫差、經驗溫差和本文建議的修正豎向溫差,分別計算箱梁運營階段的截面正應力、主應力以及撓度,主力+附加力工況下計算結果對比見表4。

表4 截面應力及撓度計算結果比較

計算結果表明:(1)本文建議的修正豎向溫差模式,上緣最大壓應力和下緣拉應力分別介于規范值和經驗值之間,上緣正最大應力大于經驗溫差應力2 MPa,上緣最小應力小于0.5 MPa經驗溫差應力,結構偏于安全;(2)主應力值、抗裂安全系數和強度安全系數三者基本一致?？梢缘贸鲈谌鄙賹嶋H觀測資料的情況下,采用本文建議的修正豎向溫差模式進行箱梁溫度應力和結構內力計算,可以確保結構安全。

5 結論

(1)豎向溫度計算模式不同國家規范之間有較大差異,對是否考慮梁底溫差和降溫溫差也有不同規定,我國鐵路規范規定的溫差荷載對結構使用階段受力影響相對較大。

(2)我國現行鐵路橋梁設計規范給出的箱形截面梁日照溫差分布圖,應用于我國客運專線無砟軌道橋面預應力混凝土連續箱形橋梁設計時,其豎向溫差模式與實際不符。

(3)對預應力混凝土連續梁橋,溫差荷載在主梁上緣引起較大的應力,它與混凝土張拉預應力筋引起的二次應力相組合,將產生較大的應力,將降低主梁截面的抗裂性能,增大預應力的應力損失,在設計時應予以高度重視。

(4)在實際計算中應根據橋梁所處的環境選取適當的溫差荷載進行計算,必要時須通過實驗合理選擇溫差計算模式。分析表明,本文提出的修正豎向溫度模式可以對我國客運專線橋梁計算提供參考和借鑒。

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Approach to Vertical Temperature Difference Value for Continuous Box Girders on Passenger Dedicated Lines

KOU Yan-chun
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,LTD.,Wuhan 430063,China)

To understand the impact of the vertical temperature difference load of box girders on passenger dedicated lines on the structure,four distinct bridge specifications from United States,United Kingdom,Japan and China are compared and analyzed in terms of nonlinear sunshine temperature curve, and the temperature stress of the structure section at different nonlinear sunshine temperatures is calculated respectively for different specifications with reference to 3-span variable cross-section continuous box beam.The results show that temperature difference load as stipulated in Chinese specification brings about more effect on the structure.In view of the actual conditions of the bridges on dedicated passenger lines,and reduction effects of track structure on bridge deck temperature,the selection of vertical temperature differences of box girder bridges on passenger dedicated lines is recommended.

Passenger dedicated railway line;Continuous box girder;Temperature difference load; Railway specification;Structure analysis

U238;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.018

1004-2954(2014)12-0071-05

2014-08-07;

2014-08-22

寇延春(1973—),女,高級工程師,1995年畢業華中科技大學,工學學士,E-mail:2005wangdz@163.com。