成橋階段橫向溫度梯度對預應力混凝土連續T形梁橋的影響

王文飛

摘要：文章以某典型高速公路在建預應力混凝土連續T型梁橋為研究對象，采用abaqus有限元軟件對橋梁成橋階段進行溫度場和溫度應力分析，并與現行公路橋涵設計通用規范的溫度梯度曲線、以及它們引起的溫度應力進行比較。研究結果表明：成橋階段，規范傾向于不考慮主梁底部的溫差，在實際工程中對于地面反射率較大的地區，是否適用有待商榷;規范應適當考慮因日照產生的橫向溫差，隨著日照時間的延長，橫向溫差帶來的橫向溫度效應對降低橫向抗拉強度是可觀的。

關鍵詞：橫向;溫差;溫度應力

引言

橋梁長期處于露天環境中，在太陽輻射條件極端的地區，日照溫度作用的影響甚至超過恒載和活載成為主要控制作用，對橋梁的正常使用造成較大的危害。當采用斜率不同的折線溫度梯度去計算溫度應力時，根據前人的論文及結合溫度應力計算理論易知，結果是相差很大的。人們對各類橋梁的溫度場都有不同的研究，成果如下。2009年，Dongening Li從幾何方面探討了變截面混凝土箱梁的溫度效應，它認為由于橫向溫差效應的原因，所以不能忽略尺寸較大的箱梁所帶來的橫向溫度效應。2012年，鑒于美國規范只對豎向溫度梯度做了規定，Jong-Han Lee通過一些混凝土梁試驗得到了橫向溫度梯度的結果。 2016年，聶利英結合現場實測數據，再利用數學中的最小二乘法，擬合出了梁肋的橫向正、負溫度梯度，并結合有限元軟件計算了考慮橫向溫度梯度時的效應，并且和不考慮時進行了對比。雷洛、李國平對規范中未明確指出的同時鋪裝有瀝青混凝土和水泥混凝土橋面的梯度溫度取值進行了探討。通過重新設定計算溫度值，解決了難以直接考慮鋪裝混凝土層參與受力的問題。雖然前人對溫度場和溫度應力進行了大量研究，但一般局限于箱梁，對T梁的研究較少。 新版公路橋規只是對混凝土鋪裝和瀝青鋪裝情況進行了單一的規定，新增了箱梁因截面特性而產生的橫向溫差，但對施工階段的無鋪裝情況沒有涉及，也沒有考慮不同地區的實際情況。鑒于此，本文著眼于成橋階段，以預應力混凝土連續T形梁橋為研究對象，對以上規范待完善的地方進行了討論。本文以30m+30m+30m在建預應力混凝土連續梁橋為背景工程，采用abaqus有限元軟件預應力混凝土梁橋進行瞬態溫度場分析，采用間接法分析T梁標準截面的溫度場和溫度效應。六面體單元采用20節點二次傳熱六面體單元，四面體單元采用10節點二次四面體單元，先進行熱分析，然后加上約束條件，將單元類型轉換為熱應力單元，進行溫度應力分析。

一、成橋階段直射腹板與規范溫度場比較

公路橋規在橫向溫度梯度方面的規定是并不全面的，一方面其未考慮太陽直射梁腹板產生的影響，另一方面也缺乏其他截面（如T梁等）橋梁的橫向溫度梯度規定。而歐洲結構規范則明確規定了應考慮因腹板受太陽直射而產生的水平向溫差。本文為了分析梁的最不利橫向溫差及橫向日照溫度梯度與豎向梯度的相似性，取腹板方位角為0度的情況，即梁腹板一側受到的太陽輻射最大。采用公路橋規的豎向溫度梯度基數值作為參考進行橫向梯度溫度場研究。

根據自己利用abaqus軟件建模計算的結果可知，橫向和豎向的溫度梯度曲線規律基本上沒有多大差別，都為折線型;但溫度差異的最大值是有區別的，經歷6小時的日照，橫向就可以達到46.7004℃的溫差，即使日照時間只有2h，溫差也達到了27.0284℃。所以當太陽的輻射非常大的時候去進行施工，時間上小于2h的時侯，按規范來計算橫向溫度梯度所帶來的效應勉強是可行的;但一旦大于2h時，用規范的溫差去考慮橫向溫度效應是非常不安全的。

二、成橋階段直射腹板與規范應力場比較

遠離太陽輻射垂直照射面一定距離，由于溫度恒定，溫度效應應等于0.但根據彈性理論力和位移的關系式可知，一旦有強迫位移的產生，由于整體勁度矩陣的作用，相應的就會有力的產生。在實際工程中，由于橋面板、腹板和橫隔板之間的相互約束，遠離腹板垂直照射面的地方的強迫位移是不為0的，自然溫度效應也不為0，但具體是多大，有多大影響，下面就此進行討論。

日照影響深度一般為0.4m，同樣用abaqus分析可知在遠離太陽輻射垂直照射面的區域，規范橫向溫度梯度帶來的橫向溫度應力很小，處于0～0.0046Mpa之間，基本可以忽略對橫向抗拉能力的影響。但實際情況是隨著照射時間的延長，遠離太陽垂直照射面的區域拉應力也迅速增大，橫向溫度應力處于0～0.75Mpa之間，對于軸心抗拉強度設計值只有1.83Mpa的C50混凝土來說，對于橫向抗拉有較大影響。此外，對于預應力連續T梁橋來說，一般傾向于配置縱向預應力筋來抵消縱向拉應力，橫向只配構造鋼筋，這也讓我們應該考慮橫向溫度效應的影響。

三、結論

（一）成橋階段，對于溫度場在腹板底部出現了拐角三角形，對于這部分溫差，規范傾向于不考慮，這是否合理，對于日照時間較長的地區，還需要更深入的研究;把公路橋規中的溫度場和有限元分析得到的溫度場帶入到熱應力分析中得到的溫度應力進行比較，由規范建議的溫度梯度曲線得到的溫度應力是滿足要求的。

（二）公路橋規對于橫向溫度梯度相應規定主要針對的是箱梁這種類型的橋梁，對于寬翼緣的橋梁來說，規范這樣考慮可能是合適的，但對于窄翼緣、太陽輻射強烈、日照時間較長的情況來說，規范的做法是否還合適，這值得商榷;日照垂直照射腹板時，遠離太陽輻射的垂直照射面一定距離，規范溫度場帶來的橫向溫度應力很小，處于0～0.0046Mpa之間，幾乎可以忽略。但對于實際工程中，隨著太陽垂直照射時間的延長，這些地方得到的橫向溫度應力對于降低橫向抗拉能力是可觀的，橫向溫度應力處于0～0.75Mpa之間，與規范相差兩個數量級。

參考文獻：

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[2]Dongning Li，Marc A.Maes.Walter H.Dilger.Evalution of temperature of confederation bridge：Thermal loading and movement at expansion joint[A].Structures Congress，2008.ASCE 2008。

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作者單位：重慶交通大學土木學院