異形鋼拱塔橋梁溫度效應分析

陳立忠

(中國水利水電第一工程局有限公司,吉林 長春 130033)

鋼箱梁具有自重輕、強度高、施工便捷等特點,因此近年來在城市橋梁施工中得到了廣泛運用。由于鋼材導熱性能好,溫度作用對鋼結構的影響顯著[1]。雖然目前對鋼箱梁溫度效應的研究取得了一些成果,但影響溫度場的因素眾多(如日照和風力等),不可能全面考慮所有影響因素。另外,雖然我國規范對鋼橋的溫度作用做了相關規定,但我國幅員遼闊、各地溫度差異性較大,規范中的溫度作用模式與實際溫度場之間的區別還有待進一步研究。有研究者開展了溫度場實測試驗,但研究成果大多僅適用于橋址處附近的地區[2-3]。此外,隨著對橋梁美觀度要求的提高,異形斜拉橋的數量日益增多,但異形橋梁結構受力復雜,溫度效應的影響也更加突出[4-5],因此有必要對異形斜拉橋的溫度效應開展相應的研究。

張玉平等[6]根據傳熱學和有限元原理,基于實測數據,運用線性函數和指數函數擬合了無鋪裝層鋼箱梁日照條件下的溫度梯度。李傳習等[7]結合杭州江東大橋的施工監控對鋼箱梁的日照溫差分布進行觀測分析。聶玉東等[8]對氣候環境比較惡劣、天氣非常寒冷地區的混凝土梁橋做相應的溫控和檢測,對大量的實測數據進行統計和分析,發現橋梁箱型梁的溫差主要集中在箱梁腹板的內部,頂、底板的溫差反而較小。以大慶市秀水路跨線橋為工程背景,以4個國家的規范中溫度梯度模式的規定為基礎,研究了異形鋼拱塔斜拉橋在不同溫度梯度模式和系統溫度變化下的溫度應力。

1 工程概況

大慶市秀水路跨線橋為單索面異型拱塔斜拉橋,橋塔造型為拱塔形式,與水平面夾角為65°,全長96.3 m(含鋼混結合段),拱塔最高為26.344 m(基于塔座頂)。拱塔塔底設置塔座,鋼塔根部錨入塔靴4 m。鋼塔均為單箱單室倒梯形鋼結構,倒梯形頂部寬3～4.3 m,底板寬0.8 m,沿拱塔軸向為變截面,頂底板厚30 mm,腹板厚30 mm,頂底板、腹板縱向采用I型加勁肋。鋼塔分節段在工廠預制。各節段在工廠預制并進行預拼裝,完成后運至現場,采用由根部向塔頂吊裝,節段吊裝就位后采用對接熔透焊方式形成整體。

主梁采用三跨連續鋼箱梁,單箱雙室斜腹板斷面,鋼梁寬度為6.2 m,梁高1.5 m,鋼箱梁頂底板設置單向1.0%橫坡,在邊跨漸變到平坡;鋼箱梁頂板、腹板厚為12 mm,底板厚為16 mm。縱向采用I型加勁肋,加勁板高120 mm,厚12 mm。橫隔板采用實腹式橫隔板,標準段布置間距為2 m,橫隔板厚度為12 mm;支點處橫隔板厚度加強至16 mm。橋梁全長94 m,分節段在工廠預制。各節段在工廠預制完成后運至現場,采用由支點向跨中吊裝,節段吊裝就位后采用對接熔透焊方式形成整體。橋面鋪裝采用3 cm彩色混凝土瀝青。支座采用板式橡膠支座。

斜拉索順橋向間距4 m,全橋共計13根斜拉索,對稱布置。斜拉索索體采用鍍鋅鋁合金鋼絲雙層HDPE的防腐索體,斜拉索公稱直徑為37.082 mm,每根斜拉索由55股鋼絲組成,鋼絲強度等級1 760 MPa。橋塔塔座、承臺及樁基采用混凝土結構,樁基采用鉆孔灌注樁。主梁中墩采用Y形鋼墩與主梁固結。Y墩上部為1.4 m×1.2 m矩形截面,壁厚30 mm,Y墩下部為2 m×1.2 m矩形截面,壁厚30 mm。連接墩橋墩采用圓形變截面鋼墩,截面尺寸為0.3～0.6 m,壁厚20 mm。

2 建立有限元模型

采用midas Civil軟件建立該橋的有限元模型,如圖1所示。主梁、拱塔、橋墩和基礎均采用梁單元模擬,斜拉索采用桁架單元模擬。斜拉索底端與主梁采用彈性連接(剛性)連接。承臺底部采用節點彈性支撐模擬樁基提供的平動和轉動剛度。橋梁地震反應分析中,樁基礎的常用處理方法是在承臺底加六個方向的彈簧來模擬樁基礎的作用,如圖2所示,并由承臺底部內力按靜力方法反推單樁最不利受力。彈簧剛度根據土層狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定,由土性資料確定m值,這種處理方法在低樁承臺樁基礎中廣泛采用。經計算,群樁基礎的六彈簧剛度如表1所示。過渡墩的板式橡膠支座采用彈性連接模擬,并按照支座的剪切剛度設置水平向剛度,板式橡膠支座的計算如公式(1)所示。

(1)

表1 群樁基礎的六彈簧剛度

圖1 秀水路跨線橋結構有限元模型

圖2 樁基礎的六彈簧模型

式中:k為橡膠支座的水平剛度,kN/m;Gd為橡膠支座的動剪切模量,kN/m2,一般取1 200 kN/m2;Ad為支座的剪切面積,m2;∑t為橡膠層總厚度,m。

3 各國規范溫度梯度比較

3.1 英國BS-5400規范

英國BS-5400規范是各國規范中對于溫度梯度規定最為詳細的一本規范,在設計一些特殊橋梁,若無實測的溫度場數據時,設計單位通常都會參考英國BS-5400規范[9]。英國BS-5400規范根據橋梁結構類型(混凝土橋或鋼橋)以及鋪裝層的種類和厚度,將橋梁結構分成四種類型,并規定了相應類型橋梁的正溫度梯度和負溫度梯度。英國BS-5400規范的溫度分布模式如圖3所示。正溫差為四段折線,從梁頂計算,分布間距分別為0.1 m、0.2 m和0.3 m。負溫差模式只包含一段折線,從梁頂計算溫度變化范圍為0.5 m。

h—主梁高度,mm;h1～h3—三組從梁頂至梁底的間距,mm;T1～T4—各層頂部溫度,℃。

3.2 新西蘭NZBM-2003規范

新西蘭NZBM-2003規范給出了鋼結構和混凝土結構的溫度梯度模式,該規范根據Priestley的試驗和分析研究成果,采用五次冪函數描述梁體的溫度梯度分布,溫度梯度函數如公式(2)、公式(3)所示,溫度梯度模式如圖4所示。在進行分析時,可將五次冪函數采用分段的線性函數近似代替,沿梁高方向劃分為4段。

(2)

h—主梁高度,mm;T1—梁頂溫度,℃。

T1=32-0.2d

(3)

T1—梁頂溫度,℃;T2—去除鋪裝層的梁頂溫度,℃;T3—梁底溫度,一般取0℃;A—鋼梁豎向溫度梯度控制參數,mm。

T1—梁頂溫度,℃;T2—去除鋪裝層的梁頂溫度,℃;A—鋼梁豎向溫度梯度控制參數,mm。

式中:Ty為計算點的溫度,℃;T1為梁頂溫度,℃;d為瀝青層的厚度,mm;y為計算點到梁頂的距離,mm。

3.3 美國AASHTO規范

美國AASHTO規范溫度梯度模式如圖5所示,其中t為鋪裝層厚度,A根據梁高H確定,當H≥400 mm時,A=300 mm;當H<400 mm時,A=(H-100)mm。T1、T2根據橋梁所在地區進行取值,全美共分為4個大區,如表2所示。根據本橋例大慶市所在位置,計算時選用美國AASHTO規范的4區溫度基數。負溫差為正溫差的-0.2倍。

表2 美國AASHTO規范溫度基數取值

3.4 中國JTG D60—2015規范

中國JTG D60—2015規范參考了美國AASHTO規范的溫度梯度模式,如圖6所示,T1、T2選用了美國2區溫度參數,但并未像ASSHTO規范一樣設置不同溫度分區。日照負溫差為正溫差的-0.5倍。

4 異形鋼拱塔斜拉橋溫度應力計算

4.1 正溫度梯度下主梁應力

為了研究不同溫度梯度模式對異形鋼拱塔斜拉橋溫度應力造成的差異,分別研究英國、新西蘭、美國、中國規范中的溫度梯度模式下的主梁應力,并將主梁應力沿主梁縱向的結果繪制如圖7所示。

圖7 4種規范正溫度梯度下的主梁應力對比

根據圖7(a)可以看出,不同規范下截面上緣應力縱向分布規律相似,最大應力位于主梁跨中,英國、新西蘭、美國、中國規范下的最大應力分別為42.3、46.4、38.7、36.3 MPa,新西蘭規范的最大應力值在4種規范當中最大,這也與文獻中的研究結果一致[10],中國規范的應力值最小。主梁上緣受壓應力,這是因為截面上緣溫度更高,在溫度作用下本應上緣伸長下緣縮短,但由于橋梁結構為超靜定結構,在約束作用下主梁伸長受限,相當于外部約束為主梁施加了壓力,因此上緣溫度應力為壓應力。除了主梁跨中應力較大外,中墩處主梁應力存在突變,應力值達到局部的極大值。由于中墩為Y形墩,主梁與中墩相交的兩處位置應力均較大,而中墩分叉之間主梁溫度應力大致呈平臺段過渡。過渡墩由于采用的是板式橡膠支座,該處溫度應力得到有效釋放,溫度應力較小[7]。

圖7(b)為主梁截面下緣應力沿縱向的分布規律,從中可以看出,下緣應力的變化趨勢與上緣應力相近,極值點分布在主梁跨中和中墩處。英國、新西蘭、美國、中國規范下截面下緣的最大應力分別為21.9、17.8、13.3、14.0 MPa。英國規范的最大應力值最大,美國規范最大應力值最小。同時可發現,美國和中國規范下梁端截面下緣存在壓應力,這可能是由于兩者的溫度梯度模式均為雙折線所致,兩者的截面下緣應力趨勢也很接近,而英國和新西蘭規范的溫度模式為多段線或曲線,溫度梯度沿截面變化的突變點更少。美國和中國規范下梁端截面下緣應力為負,跨中應力為正,這使得主梁的應力幅值相比英國和新西蘭規范更小。

4.2 負溫度梯度下主梁應力

負溫度梯度下主梁應力如圖8所示,圖8(a)為截面上緣應力,英國、新西蘭和中國規范的負溫度梯度下主梁截面上緣應力相近,美國規范明顯偏小,這是因為美國規范規定負溫度梯度僅為正溫度梯度的-0.2倍,而中國規范規定負溫度梯度為正溫度梯度的-0.5倍。截面上緣應力最大值位于跨中,英國、新西蘭、美國、中國規范下截面上緣的最大應力分別為8.9、9.2、4.6、9.5 MPa。在中墩支點處主梁存在局部應力的極大值。圖8(b)為截面下緣應力,應力最大值位于主梁跨中,中國規范的截面下緣應力最大。英國、新西蘭、美國、中國規范下的截面下緣最大應力分別為2.7、5.4、4.2、8.5 MPa。

圖8 4種規范負溫度梯度的主梁應力對比

4.3 系統溫度下主梁應力

由于異形鋼拱塔橋梁為高次超靜定結構,在系統溫度變化下,結構也將產生溫度應力。本橋例所處的大慶市全年溫差顯著,體系升溫39 ℃,體系降溫-56 ℃。系統溫度變化下主梁和拱塔應力如圖9所示。圖9(a)為主梁應力沿橋例縱向分布,從圖中可以看出,主梁的最大應力位于跨中,系統升溫和系統降溫下主梁最大應力分別為8.5 MPa、11.3 MPa。此外,由于中墩與主梁固結,邊墩為活動支座,故主梁的應力較大區域集中在中墩到跨中區域。圖9(b)為拱塔應力分布,拱塔的最大應力位于拱頂,從拱腳到拱頂應力逐漸增加。系統升溫和系統降溫下拱塔最大應力分別為6.1 MPa、8.8 MPa。

圖9 系統溫度變化下主梁和拱塔應力

5 結 論

對異型拱塔斜拉橋的溫度作用開展了研究,得到以下結論。

(1)在4種規范規定的溫度梯度作用模式下,異型拱塔斜拉橋主梁截面應力分布規律大致相同。其中在正溫度梯度下,新西蘭規范計算的截面應力最大,而中國規范計算的截面應力較小,這在一些特殊橋梁上可能是偏于不保守的。在負溫度梯度作用下,美國規范下的溫度梯度應力最小。

(2)在系統溫度變化作用下產生的溫度應力小于梯度溫度作用產生的溫度應力,說明該異型拱塔斜拉橋在設計分析時以考慮梯度溫度作用為主。我國設計規范沒有設置溫度分區,可以考慮采用英國規范偏保守地進行驗算。

(3)在梯度溫度和系統溫度下,主梁溫度應力最大值均位于跨中,中墩處也存在局部應力的極大值,系統溫度下拱塔的溫度應力最大值位于拱頂,在進行設計時可考慮對這些部位進行加強。

(4)對異型拱塔斜拉橋溫度應力的研究只考慮了豎向溫度效應,而未考慮橫向溫度效應,主梁的上下游溫度差也尚未考慮,由于這些因素,對異型拱塔斜拉橋的溫度作用有待開展更深入的研究。