溫度作用對小半徑曲線梁橋的內力影響研究

陳大江

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

溫度作用對小半徑曲線梁橋的內力影響研究

陳大江

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

研究表明，溫度作用是曲線梁橋破壞的主要原因之一，文章以某小半徑曲線梁橋作為研究對象，以單純扭轉理論為基礎，通過有限元計算方法，分析結構在整體溫度作用下的內力及變形規律，得出一般性結論，為曲線梁橋結構的設計提供參考。

曲線梁橋；溫度作用；單純扭轉理論；有限元

0 引 言

在高速公路及城市道路的建設中，根據各種道路線形的需要，曲線梁橋得到了廣泛的應用，該橋型不僅能夠適應復雜條件下的地形地物，且線形流暢，具有一定的美學價值。隨著使用年限的增加，在各種不利因素的影響下，越來越多的曲梁結構出現了一定的病害，針對這些病害的研究表明，溫度作用是曲梁結構破壞的主要原因之一[1-4]。

在整體溫度荷載的作用下，曲線梁各個微小弧段會產生一定程度的收縮或膨脹，該段梁體結構在變形后截面仍保持平截面不變，半徑發生一定改變，但圓心角不變[5-6]，從而導致了曲梁結構發生相應的軸向及徑向位移，同時產生一定的結構內力。

小半徑曲線梁橋計算理論目前最為常用的有單純扭轉理論及翹曲扭轉理論[2，5]，理論和實驗結果表明，對于預應力混凝土曲線梁結構，由截面翹曲效應所產生的的截面應力，相比于基本彎扭應力值要小得多，一般小于5%～10%[2，5，7]，因此，一般情況下，除了壁厚較薄或寬跨比較小的混凝土箱梁外，均可按照單純扭轉理論進行計算，其計算誤差在工程設計容許范圍內。本文以某小半徑曲線梁橋為研究對象，以單純扭轉理論為基礎，建立有限元模型，分析溫度作用下的曲線梁橋的受力特性，提出曲梁結構在溫度作用下的結構變形及內力特征，為曲梁結構設計提供一定參考。

1 工程概況及總體模型

本文以某一互通的A匝道橋第一聯為研究對象，該聯位于曲線段，橋梁道路中心半徑為185 m，為預應力混凝土箱梁結構，橋跨布置為5×25 m，梁高采用1.6 m，單箱單室結構，橋梁的跨中橫斷面如圖1所示。

圖1 橋梁跨中橫斷面

依據單純扭轉理論假定基礎[2，4-5]，采用橋梁通用有限元軟件Midas Civil對橋梁上部結構建立空間梁元模型，共劃分為135個6自由度空間曲桿梁單元，橋梁模型如圖2所示。

圖2 橋梁結構模型

為了準確反映溫度作用對橋梁結構整體內力及變形的影響，擬定了三種溫度效應工況，即：方案一：整體升溫25 ℃；方案二：整體升溫10 ℃；方案三：整體降溫20 ℃。

分別計算上述三種方案的結構變形及內力，通過對比分析，得出一般性的結論。

2 計算結果分析

根據橋梁的支座布置形式及特點，結合前述的理論研究，溫度作用僅對結構的平面位移及橫向受力影響較大，對結構的豎向彎矩及扭矩影響不大[2，8]，因此，本次計算重點分析結構整體升降溫對結構的平面位移及支反力的影響。

三種荷載溫度設置方案對曲梁結構橫向彎矩、軸向位移、徑向位移的影響的計算結果如圖3～圖5所示，對曲梁結構的支座徑向力的影響如表1所列。

圖3 不同溫度作用下橋梁結構的橫向彎矩分布

圖4 不同溫度作用下橋梁結構的軸向位移

圖5 不同溫度作用下橋梁結構的徑向位移

表1 不同溫度下內側支座徑向力 kN

圖3顯示了箱梁在溫度荷載作用下，會發生一定數值的繞z軸的橫向彎矩，隨著箱梁整體所受到的溫度作用的增大，梁體受到的橫向彎矩呈增大趨勢，在整體升溫25 ℃時，產生的最大橫向彎矩值可達到2 500 kN·m。

圖4顯示了箱梁所產生的軸向位移值與距固定支座的距離呈線性分布，升溫時，梁體沿固定支座朝兩端具有伸長的趨勢，降溫時，梁體相對固定支座產生一定的收縮。隨著溫度作用的變大，結構縱向的位移值也隨之相應增大。

圖5顯示了箱梁在溫度荷載的作用下，梁體以固定支座為基點，產生同方向變形的趨勢，由于本橋所有內側支座均限制了箱梁的徑向位移，這一作用產生的位移值較小，但同樣顯示了溫度荷載作用下的結構徑向位移趨勢，且在支座的約束下，會產生一定的徑向水平反力，其影響數值如表1所列。

3 結 論

(1) 箱梁在溫度荷載作用下會產生一定的橫向彎矩值，該數值會隨著溫度荷載的變大而增加，在溫度變化值達到一定數值時，所產生的橫向彎矩較大，不可忽視，在設計時應將該點影響作為控制因素進行考慮。

(2) 曲梁結構在升降溫時，會產生較大的軸向位移值，設計時應著重考慮由于溫度作用而產生的伸縮量。

(3) 在全橋布置抗扭支撐且內側設置限制徑向位移的支座情況下，其徑向位移較小，對結構較為有利，但會產生一定的支座徑向力。因此，建議在條件允許的情況下，小半徑曲線梁橋應全橋設置抗扭支撐或限制徑向位移的下部結構，但需要考慮徑向力對下部結構的影響。

[1] 范立礎.橋梁工程[M]. 北京: 人民交通出版社,2001.

[2] 孫廣華．曲線梁橋計算[M]. 北京: 人民交通出版社,1997.

[3] 鐘守硯．混凝土曲線連續箱梁橋溫度效應分析[D].西安：長安大學,2013．

[4] 高島春生．曲線梁橋[M]．張德禮譯.北京: 中國建筑工業出版社,1979．

[5] 邵容光,夏 淦．混凝土彎梁橋[M]. 北京: 人民交通出版社,1996.

[6] 郭偉健．混凝土曲線箱梁橋溫度效應分析[J]. 河南城建學院學報,2010(1):22～24.

[7] 朱 琳．預應力混凝土曲線梁橋抗扭設計分析[D].武漢：武漢理工大學,2006．

[8] 包中學．墩小半徑曲線梁橋收縮徐變和溫度效應研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2008．

2016-09-22；修改日期：2016-09-28

陳大江(1986-)，男，安徽鳳陽人，碩士，安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司工程師．

U448.42

A

1673-5781(2016)05-0604-02