京新高速鋼板組合梁橋工字鋼梁溫度效應(yīng)研究

李啟成

（中鐵二十一局集團(tuán)第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026）

1 引言

鋼－混凝土組合梁橋是指外露鋼梁或鋼桁梁通過(guò)抗剪連接件與混凝土橋面板連接成整體并考慮共同受力的橋梁結(jié)構(gòu)形式［1］。鋼混組合梁在二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始應(yīng)用于橋梁工程。到目前為止，國(guó)內(nèi)外有關(guān)組合梁的研究主要集中在其靜、動(dòng)力性能和設(shè)計(jì)方法等方面，并取得了豐碩的成果［2］。鋼混組合結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材與混凝土的材料性能，極大限度地體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)中的高性能與經(jīng)濟(jì)性［3］。雖鋼混組合梁橋有諸多優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)動(dòng)力學(xué)與靜力學(xué)也取得了豐富的研究成果，但鋼混組合梁橋長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中，由于空氣溫度變化、太陽(yáng)輻射的差異，以及橋梁布置方向和所處地理位置等的不同，組合橋梁結(jié)構(gòu)各部分形成不均勻的溫度差異［4］，這種不均勻溫度差異產(chǎn)生的溫度效應(yīng)在橋梁施工與運(yùn)營(yíng)階段均會(huì)產(chǎn)生較大影響。經(jīng)多年研究，橋梁由于溫度效應(yīng)產(chǎn)生的病害可分為三類(lèi)：混凝土梁開(kāi)裂、橋梁支座病害、直接導(dǎo)致橋梁破壞。2000年6月3日，深圳市華強(qiáng)立交橋A匝道主聯(lián)曲線梁橋突然發(fā)生向外移動(dòng)和向外側(cè)翻轉(zhuǎn)致使筍崗路東行左轉(zhuǎn)華富路交通中斷，經(jīng)研究破壞原因?yàn)闇囟茸兓鸬睦奂游灰茊?wèn)題導(dǎo)致支座破壞［5］。維也納Danube第四橋忽略溫度效應(yīng)［6］，在合龍后的某個(gè)夜晚（1969年11月），中跨和邊跨的鋼梁腹板屈曲，導(dǎo)致橋梁無(wú)法繼續(xù)使用。

據(jù)研究，極端情況下產(chǎn)生的溫度效應(yīng)甚至能超過(guò)恒載和活載，成為控制橋梁設(shè)計(jì)的第一因素［7］。同時(shí)，雖鋼與混凝土的線膨脹系數(shù)分別為1.2×10－5/℃和1.0 ×10－5/℃，較為接近，但鋼與混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)相差30倍以上，熱工性能差異較大，使得鋼－混凝土組合梁橋結(jié)構(gòu)相比其他混凝土橋梁的溫度效應(yīng)問(wèn)題更為復(fù)雜［8］。近年來(lái)，采用有限元軟件Midas Civil對(duì)組合梁橋進(jìn)行研究，常將鋼板組合梁作為梁?jiǎn)卧?，忽略了鋼梁的力學(xué)特性以及剪力鍵對(duì)組合梁橋的影響，且鋼梁由于橫聯(lián)影響，鋼梁可能處于多向受力狀態(tài)，僅以正應(yīng)力研究鋼梁應(yīng)力變化已不能滿足橋梁施工及使用階段的需要。為進(jìn)一步研究溫度效應(yīng)對(duì)鋼混組合梁橋結(jié)構(gòu)的影響，本文以京新高速盆克特2號(hào)大橋主跨為50 m鋼板組合梁橋?yàn)檠芯勘尘埃治隽岁P(guān)鍵截面溫度應(yīng)力沿梁高的整體變化以及工字鋼梁截面翼緣和腹板應(yīng)力沿跨度的變化規(guī)律，且按照中、英、美三國(guó)規(guī)范分別規(guī)定的溫度梯度作用，對(duì)比了工字鋼梁跨中應(yīng)力分布特征，為今后鋼板組合梁橋溫度效應(yīng)研究提供參考。

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

京新高速公路（G7）巴里坤至木壘公路建設(shè)項(xiàng)目位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州木壘縣和哈密地區(qū)巴里坤哈薩克自治縣境內(nèi)，是國(guó)家高速公路網(wǎng)北京至烏魯木齊國(guó)家高速公路的重要組成部分。項(xiàng)目區(qū)屬天山山地，海拔介于1 374～1 754 m之間，向兩側(cè)傾斜。地貌包括山麓斜坡堆積區(qū)、山前丘陵區(qū)、剝蝕低中山區(qū)。屬大陸性冷涼干旱氣候區(qū)，暖季涼爽、冷季嚴(yán)寒，無(wú)霜期段降雨偏少，蒸發(fā)量大，日氣溫變化大，年平均氣溫2.7℃，極端最低氣溫為－43.4℃。

盆克特2號(hào)大橋位于京新高速巴里坤至木壘段K227＋556.5處，全橋共4聯(lián)：4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全長(zhǎng)462 m。本文研究的為50 m的主梁部分，橋?qū)?7 m，為裝配式鋼板組合梁橋。其中，工字鋼采用 Q345，頂板寬400 mm、厚16 mm，腹板厚16 mm、高2 434 mm，底板寬900 mm、厚30 mm；混凝土板采用厚為320 mm的C50預(yù)制混凝土板，板厚為320 mm。盆克特2號(hào)大橋主橋跨中橫截面如圖1所示。

圖1 跨中橫斷面（單位：mm）

2.2 有限元計(jì)算模型

借助MIDAS Civil有限元分析軟件，建立有限元模型?；炷涟宀捎昧?jiǎn)卧?，工字鋼采用板單元，共劃分?0 167個(gè)單元。鋼板組合梁材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

3 不同規(guī)范溫度梯度模型

各國(guó)家及地區(qū)由于地域、地形地貌以及氣候的差異，橋梁結(jié)構(gòu)豎向梯度溫度的規(guī)范也不盡相同。

3.1 中國(guó)公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60—2015）

中國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）［9］在平均溫度方面，考慮了氣候分區(qū)、橋面板類(lèi)型以及橋面鋪裝層厚度因素等的影響，將全國(guó)分為三個(gè)區(qū)：嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫?zé)岬貐^(qū)，平均溫度的有效溫度取值見(jiàn)表2，溫度標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表3。其中，烏魯木齊木壘縣屬于寒冷地區(qū)。

表2 中國(guó)規(guī)范豎向日照溫差溫度基數(shù)

表3 2015橋梁通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值 ℃

在日照溫度梯度方面，我國(guó)參考了新西蘭、英國(guó)、美國(guó)等規(guī)范，考慮到美國(guó)規(guī)范關(guān)于溫度曲線的規(guī)定相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算快捷，故采用其相應(yīng)的溫度分布曲線，并根據(jù)我國(guó)的具體情況進(jìn)行了一些改進(jìn)［10］，見(jiàn)圖2。

圖2 中國(guó)規(guī)范豎向溫度梯度模型

3.2 英國(guó)BS5400

英國(guó)BS5400規(guī)范規(guī)定鋼－混凝土橋梁的溫度梯度曲線見(jiàn)圖3，溫度取值見(jiàn)表4（橋面鋪裝厚度為100 mm）。該規(guī)范對(duì)橋面鋪裝類(lèi)型未加以區(qū)分，對(duì)溫度梯度曲線受鋪裝厚度的影響有所考慮［11］。

圖3 BS5400規(guī)范豎向溫度梯度模型

3.3 美國(guó)AASHTO規(guī)范

美國(guó)規(guī)范在溫度梯度方面也采用雙折線的溫度梯度模式［12］，其溫度梯度模型見(jiàn)圖4。

圖4 美國(guó)規(guī)范豎向溫度梯度模型

溫度基數(shù)取值根據(jù)橋梁所在位置進(jìn)行分區(qū)，全國(guó)共分為四個(gè)區(qū)域，見(jiàn)表5。

表5 美國(guó)規(guī)范豎向日照溫差溫度基數(shù)

如果橋面為素混凝土，溫度取值為各地區(qū)溫度基數(shù)的－0.3倍；如果為瀝青混凝土，則溫度取值為各溫度基數(shù)的－0.2倍。

4 結(jié)果分析

4.1 工字鋼梁應(yīng)力分析

本文分別研究工字鋼梁截面應(yīng)力沿跨度的變化規(guī)律以及工字鋼梁截面應(yīng)力沿截面高度的變化規(guī)律。分別取翼緣板頂板（fla-top）、距頂板120 mm處腹板（web-0.12）、距頂板840 mm 處腹板（web-0.84）、距頂板1 560 mm處腹板（web-1.56）、距頂板2 280 mm處腹板（web-2.28）以及翼緣板底板（f la-bot）作為研究點(diǎn)，分析其應(yīng)力分布情況，研究點(diǎn)分布情況見(jiàn)圖5。

圖5 工字鋼梁研究點(diǎn)位示意

（1）工字鋼梁應(yīng)力－跨度分析

組合梁在升溫溫度梯度作用下，各研究點(diǎn)截面正應(yīng)力隨跨度分布見(jiàn)圖6。

圖6 截面正應(yīng)力隨跨度變化曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應(yīng)力在翼緣板與腹板呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律，均在支座處取得較小值，且不同截面高度處應(yīng)力值均接近零；在跨中取得最大值，上翼緣板跨中拉應(yīng)力取得最大值為10.9 MPa，下翼緣板跨中壓應(yīng)力取得最大值2.69 MPa。在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應(yīng)力在梁截面上側(cè)為拉應(yīng)力，下側(cè)為壓應(yīng)力。在升溫溫度梯度作用下，上側(cè)拉應(yīng)力數(shù)值明顯大于下側(cè)壓應(yīng)力數(shù)值。

在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁應(yīng)力沿跨度分布規(guī)律與升溫溫度梯度作用下分布規(guī)律基本相同，區(qū)別在于在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應(yīng)力在梁截面上側(cè)為壓應(yīng)力，下側(cè)為拉應(yīng)力。

（2）工字鋼梁應(yīng)力－梁高分析

選取支座與跨中截面為研究工字鋼梁應(yīng)力沿梁高分布規(guī)律的關(guān)鍵截面。組合梁工字鋼在溫度梯度作用下，各研究點(diǎn)有效應(yīng)力隨梁高分布見(jiàn)圖7。

圖7 應(yīng)力沿梁高分布規(guī)律

從圖7可以看出，在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應(yīng)力上側(cè)呈拉應(yīng)力，下側(cè)呈壓應(yīng)力，分別在跨中上翼緣板和跨中下翼緣板取得最大值，最大拉應(yīng)力為10.7 MPa，最大壓應(yīng)力為2.67 MPa。在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應(yīng)力上側(cè)呈壓應(yīng)力，下側(cè)呈拉應(yīng)力，分別在跨中上翼緣板和跨中下翼緣板取得最大值，壓應(yīng)力最大值為5.337 MPa，最大拉應(yīng)力為1.37 MPa。支座處截面在梁高為1.54 m以下部分，截面正應(yīng)力未發(fā)生較大波動(dòng)，當(dāng)梁高超過(guò)1.54 m后，截面正應(yīng)力逐漸增大，且在上翼緣板處取得最大值。跨中截面正應(yīng)力近似呈線性分布，在梁高為0.5 m處，截面正應(yīng)力為零。

4.2 不同國(guó)家規(guī)范下工字鋼應(yīng)力分析

將不同的溫度梯度記為不同的工況，施加于有限元計(jì)算模型中。溫度梯度曲線的溫度峰值取值見(jiàn)表6，工況1～3根據(jù)不同的規(guī)范溫度梯度取升溫，工況4～6溫度梯度取降溫。

表6 溫度工況

通過(guò)以上章節(jié)分析可知，工字鋼梁跨中翼緣處為橋梁在溫度梯度作用下應(yīng)力最大處，所以對(duì)于不同國(guó)家規(guī)范的溫度效應(yīng)進(jìn)行研究，主要分析在不同溫度梯度作用下跨中工字鋼截面上翼緣與下翼緣處應(yīng)力分布，見(jiàn)圖8。

圖8 跨中截面應(yīng)力柱狀圖

通過(guò)分析圖8，可以得出以下結(jié)論：

（1）按照各國(guó)規(guī)范規(guī)定，組合梁橋在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁跨中截面上翼緣為拉應(yīng)力，下翼緣為壓應(yīng)力；組合梁在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁跨中上翼緣為壓應(yīng)力，下翼緣為拉應(yīng)力。

（2）各國(guó)規(guī)范規(guī)定下，組合梁截面在升溫和降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁的溫度應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。在升溫作用下，工字鋼跨中截面上翼緣的應(yīng)力由大到小排列順序?yàn)椋好绹?guó)＞中國(guó)＞英國(guó)；在降溫作用下，工字鋼梁跨中截面上翼緣應(yīng)力排列順序?yàn)椋河?guó)＞中國(guó)＞美國(guó)。在升溫溫度梯度下，美規(guī)的工字鋼上翼緣應(yīng)力明顯高于中規(guī)和英規(guī)，中規(guī)與英規(guī)工字鋼上、下翼緣應(yīng)力基本相等。在降溫溫度梯度作用下，英規(guī)的工字鋼上翼緣應(yīng)力明顯高于中規(guī)與美規(guī)。

5 結(jié)論

（1）組合梁工字鋼梁在溫度梯度作用下，從應(yīng)力沿梁高分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，組合梁工字鋼支座處截面正應(yīng)力與跨中截面正應(yīng)力分布規(guī)律明顯不同。組合梁工字鋼跨中截面應(yīng)力呈線性變化，但在支座處沿梁高多次波動(dòng)，出現(xiàn)了兩個(gè)零應(yīng)力點(diǎn)。

（2）在升溫溫度梯度作用下，鋼板組合梁工字鋼截面正應(yīng)力上側(cè)受拉，下側(cè)受壓；在降溫溫度梯度作用下，組合梁橋工字鋼截面正應(yīng)力上側(cè)受壓，下側(cè)受拉。且在升溫溫度梯度下工字鋼截面正應(yīng)力與等效應(yīng)力均大于降溫溫度梯度下工字鋼梁截面的正應(yīng)力與等效應(yīng)力。

（3）按照中、美、英規(guī)范，在升溫作用下，工字鋼跨中截面上翼緣的應(yīng)力值排列順序?yàn)椋好绹?guó)＞中國(guó)＞英國(guó)；在降溫作用下，工字鋼跨中截面上翼緣的應(yīng)力值排列順序?yàn)椋河?guó)＞中國(guó)＞美國(guó)。