鋼管混凝土拱橋環境溫度引起的應力撓度分析

王新澤

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山　063000)

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鋼管混凝土拱橋環境溫度引起的應力撓度分析

王新澤

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山063000)

摘要:分析了鋼管混凝土拱的撓度和拱趾處應力隨環境溫度改變而產生的變化。結果表明:環境溫度引起的軸向應力和拱肋自重引起的軸向應力絕對值均不超過100 MPa;拱肋截面應力變化并非同步，而是存在一個彎曲效應，環境溫度每變化5℃引起拱頂豎向位移變化17 mm;由當地最高溫度引起的拱頂撓度變化為向上55. 6 mm，由當地最低溫度引起的拱頂撓度變化為向下135. 6 mm;由環境溫度變化引起的豎向高差不均勻是高速列車行駛的安全隱患，不可忽略。

關鍵詞:鋼管混凝土拱橋環境溫度撓度溫度應力西溪河大橋

鋼管混凝土拱橋廣泛地應用于鐵路、公路橋梁中，特別是隨著高速鐵路的快速發展，對鋼管混凝土拱橋提出了許多新的要求。

鋼管混凝土拱橋結構形式多樣，其溫度研究尚不充分，距離指導設計施工還有較大距離［1-2］。文獻［3-7］研究了拱的溫度應力，但是并沒有關注溫度引起的拱的撓度變化。而文獻［8-9］對有效合龍溫度的理論進行了研究。文獻［10-11］則對拱圈在日照輻射溫度場的溫度傳導進行了研究。

由于高速鐵路對撓度要求很高，鋼管混凝土拱橋隨環境溫度變化所引起的沿橋縱向撓度的變化，將引起橋面不均勻高差變化，對列車的安全行駛存在重大隱患。目前針對環境溫度引起的鋼管混凝土拱橋的撓度變化研究較少，本文分析了鋼管混凝土拱肋(以成貴高速鐵路西溪河大橋為例)的撓度和拱趾處應力隨環境溫度改變而產生的變化。

1　有限元模型

1. 1成貴高速鐵路西溪河鐵路大橋簡介

新建高速鐵路成都至貴陽線樂山至貴陽段西溪河特大橋主橋采用240 m跨的上承式鋼管混凝土提籃拱橋，計算跨度240 m，矢高55 m，拱軸系數2. 2，矢跨比1 /4. 364。拱肋全長范圍為等截面，由兩肢Q345qd鋼管和其間的兩塊鋼板焊接成啞鈴型，內填充C50混凝土;拱趾起拱兩端各53. 0 m范圍內用兩塊鋼板連接，內填充C50混凝土構成箱形截面，其余部分用H型鋼連接成格構段。圖1為西溪河大橋布置示意。

圖1西溪河大橋布置(單位: cm)

橋址區屬亞熱帶季風氣候區，據附近大方縣氣象資料，該地區多年平均氣溫15. 7℃，極端最高氣溫39. 4℃，極端最低氣溫－14. 2℃。

1. 2有限元模型介紹

鋼管混凝土目前有3種計算理論［12］:將鋼管混凝土視為一種特殊的材料;將鋼管或者混凝土折算為另外一種材料;將鋼管和混凝土視為兩種不同材料并考慮二者的黏結。本文采用獨立建模方式，將Q345qd鋼材和C50混凝土分別建立模型，視鋼材和混凝土同步變形，不考慮二者的滑移效應。

建模采用ANSYS有限元軟件，桁架拱桿件采用空間梁單元Beam188，蓋板采用Shell181單元，混凝土采用Solid45單元，不同單元采用共節點方式以實現變形協調。西溪河大橋主橋拱桁采用Q345鋼管，鋼桁架彈性模量Es= 2. 1×105MPa，泊松比υs= 0. 3，拱桁內部分灌注C50混凝土，彈性模量Ec= 3. 5×104MPa，泊松比υc= 0. 2。模型如圖2所示。

Q345qd鋼材熱膨脹系數取1. 2×10－5/℃，彈性模量取210 GPa，泊松比取0. 3; C50混凝土熱膨脹系數取8×10－6/℃，彈性模量取34. 5 GPa，泊松比取0. 167。

圖2有限元模型

2　有限元結果分析

2. 1合龍溫度和溫度荷載的確定

合龍時的環境溫度并不能作為計算溫度荷載的基準溫度，因為合龍后混凝土凝固放出的水化熱會在混凝土中產生殘余溫度。文獻［8］中通過試驗和理論分析的方法指出，在沒有實際測量的基礎上，可近似認為:溫降計算可取當月平均溫度加4～5℃作為基準溫度，溫升計算取當月平均溫度作為基準溫度。

西溪河大橋合龍施工處于7月份，該月份大橋所在地區平均氣溫為23. 31℃。本文取23. 31℃作為計算環境溫度的基準溫度。

2. 2拱趾處溫度引起的應力分析

將拱趾處拱肋截面4個鋼管混凝土拱圈命名為A，B，C，D，如圖3所示。計算自重工況下每個拱圈的軸向應力，結果見表1。

圖3拱趾處拱肋截面布置

表1自重引起桿件軸向應力　MPa

分別計算每個拱圈在不同溫度下的軸向應力。溫度荷載取－15～40℃，以5℃為梯度，基準溫度取23. 31℃。圖4為由溫度引起的軸向應力，圖5為溫度和自重共同作用下的軸向應力。

圖4溫度引起的軸向應力

圖5溫度和自重共同作用下的軸向應力

由圖4、圖5可以看出，當溫度高于基準溫度時，拱趾處的應力為壓應力;當溫度低于基準溫度時，拱趾處的應力為拉應力。

可以看出，隨著溫度的變化，4個拱圈的溫度應力變化并非同步:拱肋上弦隨溫度變化而產生的應力變化大于拱肋下弦隨溫度變化而產生的應力變化; A拱圈對溫度最為敏感，當環境溫度升高或降低時其產生的溫度應力最大;而C拱圈對溫度最不敏感。由于4個拱圈軸向應力不同，可以認為拱肋截面在環境溫度作用下產生雙向彎曲效應。

同時考慮環境溫度和拱自重后可得出以下結論:環境溫度引起的軸向應力和拱肋自重引起的軸向應力絕對值均不超過100 MPa。在不考慮其他荷載工況情況下，當溫度低于2℃時便會在拱肋A拱管內產生拉應力，在溫度低于0℃時便會在拱肋A拱管內產生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉承載力時便會造成開裂。由于計算模型沒有考慮鋼管混凝土拱上結構的自重，因此除非遇到未澆筑拱上結構前溫度驟然降低到0℃以下的情況，否則可認為環境溫度變化不會引起混凝土開裂。

2. 3溫度引起的撓度分析

本節分析了環境溫度引起的拱肋豎向撓度沿縱向的變化。計算環境溫度引起的，距拱趾處水平距離0 ～120 m的單肢拱肋上、下弦形心處的豎向撓度。拱肋全長240 m，取半( 120 m)結構提取結果。溫度荷載取－15～40℃，以5℃為梯度，基準溫度取23. 31℃，計算結果見圖6和圖7。

圖6上弦截面形心撓度沿拱肋縱向變化

圖7下弦截面形心撓度沿拱肋縱向變化

由圖可見，當溫度高于基準溫度時，拱肋產生向上的豎向變形;當溫度低于基準溫度時，拱肋產生向下的豎向變形。沿著拱肋縱向，從拱趾到拱頂撓度變形不斷增大，進而會引起橋面高程的變化。

環境溫度變化引起的上弦撓度變化大于下弦撓度變化。在同一環境溫度下，距離拱趾水平距離相同的拱肋上弦和下弦撓度相差2～4 mm。這一情況和上一節提到的環境溫度變化引起的拱肋上弦應力大于拱肋下弦應力是一致的。

圖8拱頂上弦截面形心處的撓度

圖8為環境溫度引起的拱頂上弦截面形心處的撓度變化。從圖中可以看出，當溫度每變化5℃，撓度變化17 mm左右。西溪河大橋在當地極限低溫情況下，拱肋向下位移為135. 26 mm;在當地極限高溫情況下，拱肋向上位移為55. 6 mm。

3　結語

拱肋的豎向撓度和拱趾處的應力會隨著溫度變化產生較大變化。環境溫度引起的軸向應力和拱肋自重引起的軸向應力絕對值均不超過100 MPa。環境溫度變化引起的拱肋截面軸向應力不是均勻分布的，存在一個彎曲效應。沿著橋的縱向從拱趾到拱頂撓度變化不斷增大。溫度每變化5℃則拱肋垂向位移變化17 mm左右。拱肋的上下弦的豎向位移變化也不相同，上弦撓度變化大于下弦撓度變化。

在當地極限高溫情況下，西溪河大橋拱趾和拱頂相對高差可達55. 6 mm;而在當地極限低溫情況下拱趾和拱頂相對高差可達135. 6 mm。這已經對高速列車的行駛造成了安全威脅，需要在設計鋼管混凝土拱橋之前考慮到環境溫度引起的高差變化。

參考文獻

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［12］鐘善桐．鋼管混凝土統一理論:研究與應用［M］．北京:清華大學出版社，2006．

(責任審編趙其文)

Analysis of stress and deflection of concrete-filled steel tubular arch bridge caused by ambient temperature

WANG Xinze

( The 2th Engineering Co．，Ltd．of the 18th Bureau Group of China Railway，Tangshan Hebei 063000，China)

Abstract:In this paper，the deflection of concrete-filled steel tube arch and the stress distribution at the arch springing were analyzed due to the temperature effect．T he results show that the axial stress due to temperature effect and selfweight is less than 100 M Pa．T he stresses of each part of the arch section are not synchronous and there is a bending effect．As the ambient temperature changes every 5℃，there is a 17 mm vertical displacement at the arch crown．T he maximum upward deflection caused by the local highest temperature is 55. 6 mm while the maximum downward deflection caused by the lowest temperature is 135. 6 mm．T he vertical deflection caused by temperature change may threaten the safety of the operation of trains．

Key words:Concrete-filled steel tubular arch bridge; Ambient temperature; Deflection; T emperature stress; Xixi river Bridge

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0039-04

作者簡介:王新澤( 1984—)，男，工程師。

基金項目:住建部科學技術項目( 2015-K3-021) ;天津市自然科學基金項目( 13JCYBJC19600) ;天津市交通運輸委員會科技項目( 2014-23)

收稿日期:2015-06-05;修回日期: 2015-10-26

中圖分類號:U448．22+2

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．09