混凝土連續剛構橋溫度作用有限元分析

宋香娥(北京第二外國語學院基建處，北京100024)

對于大跨度連續梁橋而言，常年緩慢變化的年溫差，一般導致橋梁產生縱向位移，可通過橋面伸縮縫、支座位移等構造措施予以消除；而對于連續剛構橋而言，由于梁的縱向位移受到了與其固結的主墩的約束而使得主墩墩身會產生較大的彎矩。溫度變化對橋梁結構的受力與變形影響很大，這種影響隨溫度梯度的變化而變化。線型控制和應力控制是箱形截面梁懸臂施工控制的兩個最重要的方面，而溫度又是影響這兩方面的重要因素[1-3]。

1 混凝土連續剛構橋溫差應力有限元分析[4-5]

1.1 連續剛構橋工程實例

水磨灣特大橋位于少林寺至洛陽高速公路K21+910 m處。該橋主橋為預應力混凝土連續剛構橋，跨徑組成為65+110+65＝240m，空心薄壁式橋墩、鉆孔灌注樁基礎。上部結構為單箱單室斷面，頂板寬度為12.75 m，底板寬度為6.5 m，箱梁根部梁高6.0 m，跨中及邊跨合攏段梁高為2.3m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化。

1.2 計算物理模型

水磨灣特大橋的靜力計算采用空間有限元分析程序（Midas/Civil），其計算物理模型如圖1所示。全橋共劃分為78個單元，其中主梁劃分為66個單元，主墩劃分為12個單元。

圖1 有限元計算物理模型

2 溫度梯度模式

為了分析不同溫度梯度模式作用下梁內溫度應力和應變的變化情況，本文選擇了六種不同的溫度梯度模式，來計算預應力混凝土連續剛構橋在施工過程中，最大懸臂階段不同施工階段時溫度應力及應變的變化情況。

1）梯度模式1：橋面板均勻升溫，溫差為5℃，箱梁腹板和底板無溫差，即《公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋梁設計規范》(JTJ023-85)中規定的溫度梯度模式[6]。

圖2 主梁上下緣應力對比

2）梯度模式2：橋面板表面的最高溫度取20℃，該溫度梯度模式與我國《公路橋涵通用設計規范》(JTG D60-2004)中對溫度梯度的規定一致[7]。

3）梯度模式3：按照美國AASHTO規范對溫度梯度的規定建立的溫度梯度模式[8]，該模式與我國《公路橋涵通用設計規范》(JTG D60-2004)中對溫度梯度的規定的差別在于，在截面厚度為200mm的底板上采用從0℃到2.5℃的線性溫度增長。

4）梯度模式4：按照英國BS5400規范升溫時的溫度梯度建立的模式[9]。

5）梯度模式5：溫度梯度是一條高1200mm的五次拋物線，混凝土表面的溫度取32℃。在截面厚度為200mm的底板上采用從0℃到1.5℃的線性溫度增長。梯度模式與新西蘭規范相近[10]。

6）梯度模式6：根據實測結果提出的溫度梯度模式，該模式與我國鐵路規范的溫度梯度模式相似[11]。

3 計算結果分析

由圖2可見，主梁下緣應力出現兩種情況，一種是幾乎所有截面均受拉，如模型1、模型2、模型6；另一種是部分截面受壓部分截面受拉，如模型3、模型4、模型5。其原因是模型3、4、5均考慮了底板升溫，從而減小了下緣的拉應力，使得部分截面的下緣出現了壓應力，這對于混凝土抗裂設計是偏于不安全的。模型5與模型6主梁下緣出現的拉應力較其他模型的大，其原因是這兩個模型的頂底板之間的溫差較大，且升溫面積較大。由圖3可見，梯度升溫引起的主梁最大拉應力出現在模型6的中跨跨中截面，為4.54 MPa。這種較大的主拉應力通常是引起混凝土箱梁開裂的主要原因，因此，為了有效地防止混凝土箱梁裂縫的出現，減小溫度影響是十分必要的。

以上計算結果顯示，按照我國公路橋梁規范（JTJ023-85）建立的溫度梯度模型1所引起的連續剛構橋的應力及位移值與實測值以及其他模型結果相比均偏小，這就預示著按照我國公路橋梁規范（JTJ023-85）設計施工的混凝土連續剛構橋，由于設計時對日照溫差的影響考慮不足可能造成運營時出現實際應力過大而引起混凝土箱梁開裂或跨中下撓過大的問題。現實運營中的某些連續剛構橋確實出現了箱梁開裂和跨中下撓過大的問題，所以在分析這類問題時可將溫度的影響作為一個方面的因素來考慮。

圖3 主梁上下緣應力對比

4 結 語

通過對計算結果的對比分析，可以得出如下結論：

1）不同的日照溫差模式對結構性能的影響很大，溫度荷載在主梁下緣引起拉應力，它與混凝土張拉預應力筋引起的二次應力相組合，將產生較大的拉應力，從而降低主梁截面的抗裂性能，在設計計算及施工控制時應予以高度重視。

2）按照我國公路JTJ023-85規范建立的溫度梯度模型所引起的連續剛構橋的應力及位移值與實測值相比均偏小，這就預示著按照該規范設計施工的混凝土連續剛構橋，由于設計時對日照溫差的影響考慮不足可能造成施工及運營時出現實際應力過大而引起混凝土箱梁開裂或跨中下撓過大的問題。

[1]周劍萍.大跨徑連續剛構橋設計施工中應注意的幾個問題 [J].公路交通技術，2014（1）:1-8

[2]廖萬輝，司俊，張天余. 關于橋梁工程中連續剛構橋施工溫度問題的探討[J]. 黑龍江交通科技，2014（2）:86-87

[3]王海豐.大跨連續剛構橋溫度梯度應力分析[J].北方交通，2014（4）:46-47

[4]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社，2001

[5]王勖成，邵敏，有限單元基本原理和數值方法[M].北京:清華大學出版社，1997

[6]公路鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土橋涵設計規范（JTJ023-85）[M].北京:人民交通出版社，1985.

[7]公路橋涵設計通用規范JTG D60-2004[M].北京:人民交通出版社，2004.

[8]美國AASHTO LRFD公路橋梁設計規范[M].北京:人民交通出版社，1998.

[9]BS5400-4-1990 Code of Practice for Design of Concrete Bridges[M]. Britain: British Standard Institute, 1990

[10]CEP-FIP Model Code for Concrete Structures[M].New Zealand: Thomas Telford Bookshop, 1978.

[11]鐵路橋涵設計基本規范TB10002 [M].北京:中國鐵道出版社，2005.