客运专线连续箱梁竖向温差取值探讨

寇延春

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

客运专线连续箱梁竖向温差取值探讨

寇延春

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

为研究客运专线箱梁竖向温差荷载对结构受力的影响,对比分析美国、英国、日本及中国四种不同桥梁规范给定的非线性日照温度曲线,结合3跨变截面连续箱梁实例,计算不同桥梁规范非线性日照温度下结构截面的温度应力,表明我国铁路规范规定的温差荷载对结构使用阶段受力影响相对较大。结合我国客运专线桥梁结构实际情况,考虑桥面轨道结构对桥面温差的折减效应,提出我国客运专线箱梁桥竖向温差选取的建议。

客运专线;连续箱梁;温差荷载;铁路规范;结构分析

1 概述

在客运专线无砟轨道连续箱梁结构中,桥面竖向温差对桥梁结构受力和变形影响显著。我国现行《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3—2005)[1](以下简称“铁路规范”),仅给出有砟和无砟无枕的箱梁结构日照温差分布图,有砟箱梁不考虑梁高方向的温差荷载,无砟无枕箱梁考虑梁高和梁宽方向的温差荷载;没有给出客运专线无砟有板情况下桥面竖向温差荷载的计算模式。由于客运专线箱梁无砟轨道板对桥面温度的影响,采用现行铁路规范无砟有枕箱梁温差模式计算与结构实际温差应力明显不符,现阶段对于客运专线箱梁桥结构如何选取日照温差、降温温差及由此计算箱梁温度应力,还缺乏系统深入的研究。

结合某连续梁桥实际工程,根据现行我国铁路规范,通过对国内外几种规范所规定的温度梯度模式的计算和分析,比较桥面梯度温度对桥梁结构影响的差异,提出我国客运专线箱梁桥竖向温差选取的建议。

2 客运专线桥梁桥面布置

我国客运专线桥梁大量采用预应力混凝土箱梁结构、无砟轨道。典型双线桥面布置如图1所示。

图1 典型桥面布置(单位:cm)

桥面宽度13.4 m,防护墙外侧至栏杆内侧宽1.7 m,防护墙内侧净宽9.4 m;桥面两侧设置人行道板及遮板;防护墙内侧设置无砟轨道板及其基座,每块轨道结构宽2.4～2.8 m,与顶板混凝土刚性连接,其余部位仅设置桥面防水层和保护层,厚度6 cm。

选取工程实例(70+125+70)m预应力混凝土连续梁为研究对象。全长266.5 m,跨中及边支点处梁高5.2 m,中支点处梁高采用9.2 m;箱梁桥面宽13.4 m,箱梁底宽8.2 m。箱梁顶板厚0.50 m,中支点附近局部顶板厚0.65 m。底板厚度由跨中的488.5 cm,按圆曲线变化至中支点根部的107.5 cm。箱梁采用直腹板,腹板厚0.45～0.65～85 cm,中支点附近腹板局部加厚至1.5 m,C55混凝土。箱梁横断面见图2。

图2 箱梁横断面(单位:cm)

计算参数:二期恒载155.7 kN/m,相邻两支点不均匀沉降差均不大于2.0 cm;锚口及喇叭口损失按锚外控制应力的6%计算,管道摩阻系数取0.23,管道偏差系数取0.002 5;松弛损失、收缩徐变及其他各项损失均按铁路规范计算。设计合龙温度取16～20℃,均匀温差按升降温20℃。

计算模型:计算采用平面有限元理论建立全桥有限元模型进行计算分析,共划分为90个单元,结构计算简图见图3,计算中对于曲线温度梯度模式,采用多点拟合的方法进行模拟,折线型温度模式按规范规定计算。

图3 梁体结构计算简图

3 不同规范箱梁温差模式的比较

3.1 国内外规范箱梁温差模式

由于不同国家和地区温度变化较大,选取与我国基本同纬度地区的美国、英国(欧洲)、日本等进行比较。

(1)美国AASHTO规范,温差分布沿梁高按折线变化,如图4所示。

图4 美国AASHTO规定的温差梯度模式(单位:mm)

图中h表示梁高,当h≥400 mm时,A=300 mm;当h＜400 mm时,A=h-100 mm。T3的取值小于3℃,在没有进行确切的现场调查的情况下可取为0。负温度值应取为图中表格中的规定值乘以-0.5。

(2)英国BS5400规范,正负温差梯度模式如图5所示。

图5 英国桥规BS5400规定的温差梯度模式

欧洲结构规范EN1991—1—1:2004,关于温度作用部分的规定基本上沿用了英国规范BS5400的体系,采用的竖向温度模式与英国规范BS5400所规定的相同。

(3)日本规范:日本道路桥梁设计标准,关于竖向温度梯度的规定,在混凝土结构中温度变化的范围,根据不同地区的平均气温确定。一般情况下,限度升降可分别采用15℃。根据桥面板和其它部分的温度差计算断面内的应力时,温差以5℃为标准;温度分布在桥面和其它部分内分别认为是均匀的。

(4)中国铁路规范:日照温差荷载,有砟箱梁只考虑沿梁宽方向的温差荷载,无砟无枕箱梁应分别考虑沿梁高方向的温差荷载和两个方向的组合温差荷载。箱梁沿梁高、梁宽方向的温差曲线为指数函数(图6),可按下式计算

式中 Ty、Tx——计算点Y处的温差,以℃计;

T01、T02——箱梁梁高方向或梁宽方向的温差,以℃计,

y、x——计算点至箱梁外表面的距离,以m计;

a——仅考据竖向温差,取5。

降温温差荷载,箱梁沿顶板、外腹板板厚温差曲线的指数a采用14,相应T0采用-10℃。

3.2 温差模式比较

综合表1及温差图示可以看出:(1)正温差梯度模式中,美国AASHTO规范和英国BS5400规范均为双折线模式,日本规范为顶板矩形均匀分布模式,而我国铁路规范是以自然对数e为底的指数曲线模式; (2)美国AASHTO规范和英国BS5400规范给出了竖向负温差模式,且均为双折线,英国BS5400规范明确考虑了梁底温差;日本规范则不考虑降温温差;(3)中国铁路规范桥面竖向温差特征值介于美国规范和英国规范之间,但竖向日照升温温差影响高度最大,降温温差影响高度较小;(4)由于底板终年不受日照,底板内外表面的温度变化也较小,美国、日本和中国铁路规范均略去底板微小温度变化的影响。

图6 中国铁路规范箱梁温差分布

表1 各规范温差模式比较

3.3 计算结果分析

桥面采用素混凝土铺装,按各规范规定温差值进行计算比较,梁部其余计算参数取值相同,升温作用下控制截面应力值及挠度计算结果见表2、表3。

表2 升温作用下截面应力值MPa

表3 升温作用下挠度值mm

计算结果表明:(1)竖向温差荷载对主梁应力影响较大,但不同国家规范所规定的温度梯度模式差异较大;(2)对温差效应影响较大的因素为温度梯度的特征值和温度梯度的非线性形式,特征值较大的温度梯度产生的挠度和应力均相对较大;(3)我国铁路规范规定的温度梯度模式的计算结果升温时上缘压应力介于美国AASHTO规范和英国BS5400规范之间,下缘拉应力较大,但与美国AASHTO规范基本一致,说明竖向温差高度增大对温差应力影响增大;(4)我国铁路规范升温作用下中跨跨中截面下缘产生了较大的拉应力,且跨中挠度值最大;日本规范计算截面上缘压应力值最小。

3.4 合理温差模式分析

现行我国铁路规范对有砟箱梁不考虑梁高方向的温差荷载,对于无砟无枕箱梁考虑梁高和梁宽方向的温差荷载,但没有给出无砟有板情况下桥面竖向温差荷载的计算模式。由于客运专线箱梁轨道板对温度的折减效应,采用铁路规范无砟有枕箱梁的温差计算得到的箱梁桥温度应力偏大,与结构实际温差应力不符,造成箱梁部分指标难于控制,甚至造成结构材料的浪费和结构受力的影响。因此,笔者认为现阶段箱梁桥结构设计中,应合理考虑桥面结构对温差的折减效应。

4 客运专线箱梁竖向温差取值

4.1 竖向温差的取值

我国客运专线无砟轨道板有3种类型:Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板,无论是双块式还是板式,轨道板结构最小高度0.43 cm,轨道板最小宽度2.4 m,占防护墙内侧总宽度的51%,防护墙外侧人行道分别设置了电缆槽和遮板、栏杆等,箱梁顶板实际直接承受日照温差的桥面有效宽度已不足50%。根据铁路规范日照温差公式,特征值分别选取升温10～20℃计算温差对梁体作用效应,如图7所示。

图7 不同温差作用下梁体应力值

从图7可以看出,温差对梁体产生应力效应,随着温差特征值的增大基本呈线性变化,梁体上缘应力在14℃时,上缘压应力为4.5 MPa左右,与英国BS5400规范基本接近;梁体下缘拉应力在支点处较小,在跨中截面下缘产生约1.4 MPa拉应力,略大于日本规范,但小于美国AASHTO规范。综合国外桥梁规范,考虑我国客运专线桥面轨道结构遮盖以及混凝土的传热递作用,同时考虑一定的安全储备,认为箱梁桥面竖向温差按14℃取值,即规范值的0.7倍进行纵向计算较为合理,修正后的竖向温差仍以指数曲线表示截面竖向温度梯度[10],即日照温差Ty=14e-5y,降温差公式为Ty=7e-14y,与英国BS5400规范温差特征值基本一致,但更偏于安全。

4.2 桥梁设计计算结果对比

实际工程实践中,由于对箱梁竖向温差模式缺乏研究,往往根据经验取值计算。一般在有砟轨道箱梁结构中,主跨大于64 m的预应力混凝土连续梁,偏安全起见考虑了顶板5℃的局部温差,与日本道路桥梁设计标准基本类似;无砟轨道考虑顶板受太阳直接照射的影响,顶板局部温差按8℃计算,多年来运营实践表明,采用上述经验值进行结构计算结构是可靠的。

采用规范温差、经验温差和本文建议的修正竖向温差,分别计算箱梁运营阶段的截面正应力、主应力以及挠度,主力+附加力工况下计算结果对比见表4。

表4 截面应力及挠度计算结果比较

计算结果表明:(1)本文建议的修正竖向温差模式,上缘最大压应力和下缘拉应力分别介于规范值和经验值之间,上缘正最大应力大于经验温差应力2 MPa,上缘最小应力小于0.5 MPa经验温差应力,结构偏于安全;(2)主应力值、抗裂安全系数和强度安全系数三者基本一致。可以得出在缺少实际观测资料的情况下,采用本文建议的修正竖向温差模式进行箱梁温度应力和结构内力计算,可以确保结构安全。

5 结论

(1)竖向温度计算模式不同国家规范之间有较大差异,对是否考虑梁底温差和降温温差也有不同规定,我国铁路规范规定的温差荷载对结构使用阶段受力影响相对较大。

(2)我国现行铁路桥梁设计规范给出的箱形截面梁日照温差分布图,应用于我国客运专线无砟轨道桥面预应力混凝土连续箱形桥梁设计时,其竖向温差模式与实际不符。

(3)对预应力混凝土连续梁桥,温差荷载在主梁上缘引起较大的应力,它与混凝土张拉预应力筋引起的二次应力相组合,将产生较大的应力,将降低主梁截面的抗裂性能,增大预应力的应力损失,在设计时应予以高度重视。

(4)在实际计算中应根据桥梁所处的环境选取适当的温差荷载进行计算,必要时须通过实验合理选择温差计算模式。分析表明,本文提出的修正竖向温度模式可以对我国客运专线桥梁计算提供参考和借鉴。

[1] 中华人民共和国铁道部.TBl0002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[2] 姚君芳,孙大斌.铁路斜腹板简支箱梁温度应力计算方法研究[J].铁道标准设计,2014(8):109-114.

[3] AASHTO(1994版)美国公路桥梁设计规范[S].

[4] 徐丰.混凝土箱梁桥温度效应关键因素研究[D].武汉:华中科技大学,2009.

[5] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[J].北京:人民交通出版社,1991.

[6] 王林,项贻强,汪劲丰,等.各国规范关于混凝土箱梁桥温度应力计算的分析与比较[J].公路,2004(6):76-79.

[7] 郭瑞军.非线性日照温度下连续刚构桥的温度应力分析[J].公路,2013(12):67-72.

[8] 杨佐,赵勇,苏小卒.国内外规范的混凝土桥梁截面竖向温度梯度模式比较[J].结构工程师,2010(1):37-43.

[9] 李春早.大跨径连续刚构桥梁的温度场分析及温度荷载影响下的箱梁截面形式分析[D].西安:长安大学,2010.

[10]李全林.日照下混凝土箱梁温度场和温度应力研究[D].长沙:湖南大学,2004.

[11]宋志文.高性能混凝土箱梁日照温度场与温度效应研究[D].上海:同济大学,2010.

Approach to Vertical Temperature Difference Value for Continuous Box Girders on Passenger Dedicated Lines

KOU Yan-chun
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,LTD.,Wuhan 430063,China)

To understand the impact of the vertical temperature difference load of box girders on passenger dedicated lines on the structure,four distinct bridge specifications from United States,United Kingdom,Japan and China are compared and analyzed in terms of nonlinear sunshine temperature curve, and the temperature stress of the structure section at different nonlinear sunshine temperatures is calculated respectively for different specifications with reference to 3-span variable cross-section continuous box beam.The results show that temperature difference load as stipulated in Chinese specification brings about more effect on the structure.In view of the actual conditions of the bridges on dedicated passenger lines,and reduction effects of track structure on bridge deck temperature,the selection of vertical temperature differences of box girder bridges on passenger dedicated lines is recommended.

Passenger dedicated railway line;Continuous box girder;Temperature difference load; Railway specification;Structure analysis

U238;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.018

1004-2954(2014)12-0071-05

2014-08-07;

2014-08-22

寇延春(1973—),女,高级工程师,1995年毕业华中科技大学,工学学士,E-mail:2005wangdz@163.com。