溫度梯度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋腹板開裂的影響分析

□文/周 奧 王洪龍

某高速公路上的一座特大跨徑橋梁，分左右兩幅。主橋?yàn)槿绲倪B續(xù)剛構(gòu)橋，其橋跨布置為118 m+210 m+118 m。主跨采用分段平衡懸臂澆筑法施工，在施工過程中箱梁腹板產(chǎn)生裂縫。為檢測(cè)該橋的施工質(zhì)量，確保工程的可靠性，建立計(jì)算模型分析施工中箱梁開裂的原因。

1 工程概況

主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室直腹板的箱型截面，頂板寬為13.75 m，底板度為8 m，支點(diǎn)梁高為13 m，跨中梁高為4.8 m。橋梁橫坡由箱梁頂板斜置形成，箱梁底板置平，腹板高度根據(jù)橫坡變化調(diào)整。箱梁頂?shù)装搴癜凑?.6次拋物線變化。0#塊箱梁底板厚160 cm，底板厚度從懸臂根部的130 cm變化為懸臂澆筑段結(jié)束處的32 cm；0#塊箱梁頂板厚度為50 cm，剩余各節(jié)段頂板厚度為30 cm；0#塊箱梁的腹板厚度為100 cm，1#～4#塊的腹板厚度為90 cm，5#～6#塊的腹板厚度為80 cm。

2 裂縫成因

置于自然環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)由于熱脹冷縮的材料性質(zhì)，當(dāng)周圍環(huán)境氣溫的變化時(shí)，其外部溫度迅速發(fā)生變化，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度保持不變，混凝土結(jié)構(gòu)形成較大的內(nèi)外溫度差而出現(xiàn)較大的變形，如果變形受到多余的約束，便會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)則產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫與其他裂縫最大的不同點(diǎn)就是會(huì)隨著溫度的變化而擴(kuò)張或合攏。對(duì)許多已開裂的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：在超靜定的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋體系中，溫度應(yīng)力對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁開裂的影響已經(jīng)超過了荷載應(yīng)力，成為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋產(chǎn)生裂縫的主要原因。

大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度應(yīng)力由溫度次應(yīng)力 (混凝土的溫度變形受到多余約束而產(chǎn)生的應(yīng)力)及溫度自應(yīng)力(混凝土在溫度變形時(shí)，因要服從平截面假定，致使截面內(nèi)纖維層的變形不協(xié)調(diào)而互相約束，從而在整個(gè)截面內(nèi)產(chǎn)生的一組自相平衡的應(yīng)力)兩部分組成。其計(jì)算公式如下：

式中：σ自（z）——溫度自應(yīng)力；

E——混凝土彈性模量；

α——混凝土的線脹系數(shù)；

A1——橋面板面積；

A——橋的全面積；

e——截面的重心軸與橋面板重心之間的距離；

z——截面高度；

T——溫度；

Zc——截面重心軸與箱梁底面之間的距離；

I——截面到箱梁底面的慣性矩。

式中：σ次（z）——溫度次應(yīng)力；

由于混凝土構(gòu)件的導(dǎo)熱率較差造成其沿著截面高度出現(xiàn)溫度梯度。溫度梯度對(duì)超靜定的連續(xù)剛構(gòu)橋的裂縫影響較大，除了與結(jié)構(gòu)表面特性和形狀有關(guān)外，還與大氣透明度、周圍溫度、地形地貌以及風(fēng)速的增減等因素相關(guān)。不同的橋梁規(guī)范對(duì)于溫度梯度的說明也不一樣，同一座橋梁采用不同的溫度梯度模式計(jì)算得到的梁內(nèi)溫度應(yīng)力差別很大，甚至可能會(huì)異號(hào)。如果選擇了不恰當(dāng)?shù)臏囟忍荻饶Ｊ剑退阍龃鬁夭畹脑O(shè)計(jì)修正值，不能確保結(jié)構(gòu)的抗裂安全儲(chǔ)備。

3 溫度梯度的影響分析

在計(jì)算時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)自重及預(yù)應(yīng)力等因素，只考慮溫度梯度的效應(yīng)。在模型中以6#塊腹板為研究對(duì)象，取6#塊順橋向左側(cè)腹板與頂板交接處內(nèi)側(cè)一排節(jié)點(diǎn)，對(duì)其主拉應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 不同規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度對(duì)腹板主拉應(yīng)力的影響

連續(xù)剛構(gòu)橋因長年累月的被置于自然環(huán)境中，所以受到溫度的影響比較大。通常溫度作用的影響可以分為兩類：年溫差對(duì)橋梁的影響以及局部溫差對(duì)橋梁的影響。國內(nèi)外橋梁的專業(yè)人士進(jìn)行了大量的有關(guān)溫度對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)影響的調(diào)查和分析，并在此基礎(chǔ)上形成了各國相應(yīng)的規(guī)范。因?yàn)榈赜颉夂虻牟町悾總€(gè)國家的規(guī)范中有關(guān)溫度梯度模式的制定也存在很多不一致。

3.1.1 常用規(guī)范

1）JTJ 021—85《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》。JTJ 021—85中的溫度梯度模式見圖1。

2）JTGD60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》。JTGD 60—2004規(guī)定：在計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)因?yàn)闇囟忍荻榷a(chǎn)生的影響時(shí)，采用如圖2所示的溫度沿著上部結(jié)構(gòu)截面的高度方向分布的梯度曲線。在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)中，橋面板表面的最高溫度T1=25℃，向下離橋面板100 mm處的溫度T2=6.7℃；當(dāng)箱梁梁高H＜400 mm時(shí)，圖 1中 A＝H－100(mm)；當(dāng) H≥400 mm時(shí)，A＝300 mm。混凝土上部結(jié)構(gòu)的豎向日照負(fù)溫差為正溫差的－1/2。

圖1 JTJ 021—85規(guī)范中溫度梯度模式

圖2 JTGD 60—2004中溫度梯度模式

T1、T2的取值見表 1。

表1 豎向日照溫差計(jì)算的溫度基數(shù) ℃

3）澳大利亞橋梁規(guī)范。澳大利亞規(guī)范中的溫度梯度模式見圖3。

圖3 澳大利亞規(guī)范中溫度梯度模式

4）BS5400英國橋梁規(guī)范。英國規(guī)范中的溫度梯度模式見圖4。

圖4 英國規(guī)范中的溫度梯度模式

3.1.2 影響分析

以連續(xù)剛構(gòu)橋空間仿真模型為依托，按照前面介紹的規(guī)范所規(guī)定的溫度荷載進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比，具體各規(guī)范溫度特征值T的取值見表2。

表2 不同規(guī)范的溫度特征值 ℃

在各規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式下，箱梁的主拉應(yīng)力見圖5-圖9和表3。

圖5 JTJ 021—85溫度梯度下主拉應(yīng)力

圖6 JTGD 60—2004溫度梯度下主拉應(yīng)力

圖7 澳大利亞溫度梯度下主拉應(yīng)力

圖8 英國BS5400溫度梯度下主拉應(yīng)力

圖9 不同規(guī)范溫度梯度作用下各節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力

表3 不同規(guī)范溫度梯度作用下各節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力

由表3可以看出，不同的規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度荷載對(duì)6#塊順橋向左側(cè)腹板與頂板交接處內(nèi)側(cè)一排節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力影響效果各不相同并且部分規(guī)范計(jì)算出來的箱梁主拉應(yīng)力個(gè)別節(jié)點(diǎn)甚至出現(xiàn)了應(yīng)力值異號(hào)的情況。

3.2 不同溫度差對(duì)結(jié)構(gòu)主拉應(yīng)力的影響

對(duì)于大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋體系，橋面板都是暴露在陽光的照射下，相比靠近水面的底板溫度要高一些，從而導(dǎo)致頂?shù)装逯g形成溫度梯度。通常情況下頂?shù)装宓臏夭羁蛇_(dá)10～15℃。對(duì)于溫度梯度的影響，一般假定溫度梯度在整個(gè)橋梁上部結(jié)構(gòu)沿縱向是恒定不變的。在模型中對(duì)于溫度荷載分別按照以下三種情況考慮：

1）頂板與腹板、底板之間的溫度差為5℃，考慮頂板升溫20℃，腹板和底板升溫15℃；

2）頂板與腹板、底板之間的溫度差為10℃，考慮頂板升溫25℃，腹板和底板升溫15℃；

3）頂板與腹板、底板之間的溫度差為15℃，考慮頂板升溫30℃，腹板和底板升溫15℃。

計(jì)算結(jié)果見表4和圖10。

表4 不同溫度差各節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力

圖10 頂腹板不同溫度差各節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力

由表4和圖10可以看出，在只考慮了溫度梯度而沒有考慮結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力作用的情況下，當(dāng)箱梁頂板與腹板和底板存在溫度梯度時(shí)，在頂板與腹板交接處的腹板各節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力值普遍較大，大多遠(yuǎn)超規(guī)范要求的主拉應(yīng)力限值3.15 MPa。

4 結(jié)論

1）JTJ 021—85相比較其他規(guī)范而言對(duì)于溫度荷載的規(guī)定偏于不安全；JTGD 60—2004規(guī)范跟澳大利亞規(guī)范計(jì)算出來的腹板主拉應(yīng)力值變化幅度較為接近；而英國BS5400規(guī)范計(jì)算出來的腹板各節(jié)點(diǎn)的主拉應(yīng)力值最小，對(duì)于溫度荷載的規(guī)定更加安全。這也說明采用不同的溫度梯度模式計(jì)算出來的主拉應(yīng)力值差別較大，在實(shí)際工程中應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的溫度梯度模式。

2）在只考慮溫度梯度而沒有考慮結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力作用的情況下，當(dāng)箱梁頂板與腹板和底板存在溫度梯度時(shí)，在頂板與腹板交接處的腹板各節(jié)點(diǎn)主拉應(yīng)力值普遍較大，大多遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求的主拉應(yīng)力限值，故可知溫度梯度對(duì)于箱梁腹板的開裂有著十分顯著的影響。隨著頂板與腹板和底板溫度梯度差距越大，開裂越嚴(yán)重。