溫度荷載對裝配式梁橋受力性能的影響

劉嘉欣，霍建兵，鄔曉光，方淼淼

(1.長安大學 公路學院 西安市 710064； 2.山西省高速公路集團有限責任公司 太原市 030000)

0 引言

我國正在運營的橋梁中有超過80%均為中小跨徑橋梁，而在這些橋梁中，主要出現的形式是裝配式橋梁，在役橋梁由于各種各樣的原因通常會過早地出現病害。通過研究在役橋梁常見病害的成因機理發現：環境溫度是不可忽視的一個方面，溫度荷載會導致混凝土所受應力超過極限抗拉強度，從而出現溫度裂縫。

近年來，許多專家學者研究了溫度荷載對橋梁結構受力性能的影響。謝棟明等[1]對斜交T梁橋展開了研究，認為溫度荷載導致斜交T梁橋的跨中彎矩、剪力值過大，因此在跨中位置最容易出現裂縫；王宇斌[2]對我國東營地區的大橋實測數據進行溫度梯度擬合，確定適合該地區的溫度梯度參數，得到結論，豎向溫度梯度對箱梁產生了較大的影響；葉兵劍[3]研究了混凝土非結構性裂縫的形成機理，其中很重要的一種為溫度裂縫，導致了結構非結構性開裂；陳曉東[4]對依托工程進行了溫度撓度現場試驗，最終認為撓度主要由環境溫度變化所引起；李帥[5]通過現場實測的太陽輻射下的上部單室箱梁的溫度場，證明了在太陽輻射作用下，豎向溫差很大，必須著重考慮；劉昌運[6]仔細研究了溫度荷載對箱梁的作用效應，認為溫度梯度曲線的選取能夠嚴重影響箱梁橋的應力與撓度。

之前關于溫度梯度的研究大多為鋼混結構、大跨徑橋梁、鋼桁架等復雜結構，在中小跨徑橋梁中研究較少。研究了溫度荷載對中小跨徑裝配式梁橋受力性能的影響，建立ANSYS有限元模型，分別研究了整體升降溫以及溫度梯度作用下，橋梁結構的應力以及變形情況。

1 工程背景及有限元模型的建立

1.1 工程背景

選取裝配式預應力混凝土連續箱梁為依托工程，其上部結構形式為15×25m，分為5×25m+5×25m+5×25m，寬度方向小箱梁的數量為4，箱梁高為1.40m，設計荷載為公路-Ⅰ級，地震基本烈度為Ⅶ，地震動峰值加速度為0.15g。選擇一聯箱梁，對其進行ANSYS建模分析。主梁采用C50混凝土，混凝土彈模為3.45E4MPa，泊松比為0.2，密度為2600kg/m3，軸心抗拉強度設計值為2.65MPa，軸心抗壓強度設計值為32.4MPa。預應力鋼束彈模為1.95E5MPa，泊松比為0.3，密度為8005kg/m3，抗拉強度標準值為1860MPa，張拉控制應力為1395MPa。

1.2 有限元模型的建立

利用ANSYS進行模型的建立，本研究混凝土采用SOLID65實體單元模型，預應力鋼筋單元采用LINK8桿單元模型，在不考慮鋼筋滑移的前提下，建立了兩種單元的位移轉換矩陣，進而導出包含預應力鋼筋貢獻的預應力混凝土組合單元剛度矩陣。利用嵌入式組合剛度的概念，在單元劃分時不必考慮預應力鋼筋的布束方式，預應力鋼筋單元可隨意穿過混凝土單元，這為解決預應力鋼筋單元節點預加力向實體單元節點荷載轉換、考慮混凝土收縮徐變效應對預加應力的影響提供了一種行之有效的技術手段。梁體的幾何模型如圖1所示，劃分單元后梁體的有限元模型如圖2所示，劃分完單元后預應力鋼束的有限元模型如圖3所示。

圖1 幾何模型(局部)

圖2 有限元模型模型(局部)

圖3 預應力鋼束有限元模型

2 計算工況以及關鍵點的確定

2.1 計算工況的確定

在橋梁施工和運營過程中，溫度應力對橋梁的影響是不可忽視的，根據溫度的變化對橋梁結構的作用，可將變化主要劃分成兩類：

(1)日照溫差(主要考慮的溫度梯度)

由于混凝土材料基本的特性，在長時間受到溫度變化以及日照溫差的影響下，造成混凝土橋梁表面的溫度迅速上升。但是由于混凝土材料的導熱性能較差，使得橋梁結構的內外部溫度分布不均勻，使得小箱梁橋梁會形成較大的溫度效應。在溫度影響下，橋梁產生不同的溫度變形。在橋梁支座的約束下會產生不同的應力。溫度梯度不僅與橋梁截面形式、尺寸以及橋面鋪裝材料的厚度以及特性有關，還與當地的日照強度、橋梁所處的地區位置、大氣條件等因素相關。在模擬混凝土橋梁的溫度效應時，通常根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)設計，采用圖4所示的豎向溫度梯度曲線。

圖4 中國橋規公路橋涵溫度梯度曲線

其橋面板表面的最高溫度T1規定見表1。當混凝土橋梁梁高H小于400mm時，按照規范A=H-100mm；當梁高H等于或大于400mm時，A=300mm；對帶混凝土橋面板的鋼結構，A=300mm。

表1 橋面溫度梯度取值

(2)體系溫差即整體升溫以及整體降溫

對于作用在橋上的體系溫差，首先是要假定溫度影響的線性變化，即溫度變化曲線沿箱梁的截面高度方向均勻變化。靜定結構的體系溫差只會造成結構的變位，不會引起結構出現溫度次應力；但是對于超靜定結構來說，溫度荷載會同時導致溫度次內力出現。體系溫度通常情況是按橋梁所處地區的月平均最高和最低溫度來確定，年溫變化是一種隨年氣溫變化而導致的結構平均溫度的變化，長期溫度作用下可以忽略溫度場在空間位置上不均勻性，將其表示為一個函數，只與時間相關。

根據查閱資料可知：該橋所在地區氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫8.8℃，一月零下7℃，七月23℃。按照所了解到的實際情況，取環境溫度為8.8℃，整體升溫14.2℃，整體降溫15.8℃來模擬結構的整體升降溫。研究溫度荷載對T梁受力性能的影響時，具體可以分為以下幾個工況：

工況Ⅰ：無溫度作用。

工況Ⅱ：溫度梯度作用。

工況Ⅲ：整體升溫14.2℃。

工況Ⅳ：整體降溫15.8℃。

2.2 控制截面以及關鍵點的確定

任意一點的空間應力狀態由六個應力分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx組成，根據最大拉應力強度理論，混凝土是否開裂取決于最大主拉應力。因此主要研究箱梁順橋向的各控制截面的主應力分布情況，按照常見的規定，受拉為正、受壓為負。

主要控制截面選取：邊跨1/4截面(1)、跨中截面(2)、3/4截面(3)；次邊跨支點截面(4)、1/4截面(5)、跨中截面(6)、3/4截面(7)；中跨支點截面(8)、1/4截面(9)、跨中截面(10)、3/4截面(11)。關鍵點取主要控制截面的上緣、下緣中點。

3 溫度荷載對裝配式橋梁受力性能的影響

3.1 對應力的影響

在不同工況，即不同溫度荷載作用下，各控制截面的上、下緣應力數據，如表2所示。

由表2可以繪制出各控制截面的上下緣應力在不同工況下的應力折線圖，如圖5、圖6所示。

由表2、圖5、圖6數據可得出如下結論：

圖5 控制截面上緣應力折線圖

圖6 控制截面下緣應力折線圖

表2 控制截面應力上下緣應力統計表(單位：MPa)

(1)在溫度梯度作用下，控制截面的上緣應力均有明顯的增大，其中5號截面應力增長最為明顯，應力達到了22.972MPa，接近混凝土的極限抗壓強度；控制截面的下緣應力均有明顯減小，其中支點截面4出現了拉應力，大小為0.1348MPa，對結構受力不利。

(2)在整體升溫荷載作用下，全部截面上緣壓應力均出現減小現象，其中截面3、截面4、截面5、截面7、截面8、截面9、截面11應力減小較為明顯，最多減小1.843MPa，其余截面應力增長不明顯；下緣壓應力出現增大現象，其中截面1、截面2、截面3、截面5、截面6、截面7、截面9、截面10、截面11應力增大較為明顯，其余截面應力增長不明顯。

(3)在整體降溫荷載作用下，全部截面上緣壓應力均出現增大現象，其中截面3、截面4、截面5、截面7、截面8、截面9、截面11應力增大較為明顯，最大增加1.243MPa，其余截面應力增大不明顯；全部截面下緣壓應力均出現減小現象，其中截面1、截面2、截面3、截面5、截面6、截面7、截面9、截面10、截面11應力減小較為明顯，最多減小0.398MPa，其余截面應力減小不明顯。

3.2 撓度的影響

在不同工況，即不同溫度荷載作用下，各跨跨中豎向撓度見表3。

表3 各跨跨中撓度統計表(mm)

由表3可以繪制出各跨跨中撓度折線圖，如圖7所示。

圖7 各跨撓度變化線

由表3、圖7數據可得出如下結論：

(1)在溫度梯度作用下，邊跨跨中撓度增大明顯，次中跨跨中撓度略微減小，中跨跨中撓度略微增大。

(2)在整體升溫荷載作用下，邊跨、次邊跨、中跨撓度增大，增大幅度相同；在整體降溫荷載作用下，邊跨、次邊跨、中跨撓度減小，減小幅度相同。

(3)整體升降溫對橋梁結構受力以及變形造成的影響較小，且變化均勻；而溫度梯度會對橋梁結構的受力以及變形造成很大的影響，且影響情況比較復雜。

4 結論

研究了溫度荷載對預應力混凝土裝配式橋梁受力性能的影響，按照溫度梯度、整體升溫、降溫幾個工況，賦予ANSYS模型不同類型的溫度荷載，從而得到控制截面關鍵點在不同工況下的應力、撓度數值，繪制曲線進而得到以下結論：

(1)溫度梯度與整體升、降溫對橋梁結構所產生的作用效果是不同的。整體升、降溫對橋梁結構受力以及變形造成的影響較小，且變化均勻；而溫度梯度會對橋梁結構的受力以及變形造成很大的影響，且影響情況比較復雜。

(2)溫度梯度對結構受力的影響較整體升溫、整體降溫更大，因此一定要考慮溫度梯度的作用。