连续梁桥温度应力的控制研究

+邓希

摘要：在桥梁建设中，连续梁桥被广泛应用，但是，由于其超静定结构的本质，会受到温度、沉降、收缩徐变等因素的影响。温度应力已被认为是产生裂缝的主要原因，有时，其大小能与活载应力达到同一量级，因此，研究连续梁桥温度应力及其裂缝的控制具有重大意义。通过Midas建立1个4×30 m的预应力混凝土连续箱梁模型，总结了影响混凝土连续梁桥温度应力的因素，以期为今后的工程实践提供参考。

关键词：连续梁桥；温度梯度；温度应力；Midas/Civil

中图分类号：U441+.5 文献标识码：A 文章编号：2095－6835（2014）09－0066－02

在预应力连续梁桥中，温度应力可达到甚至超过活载应力，所以，它已被确定为是预应力混凝土桥梁产生裂缝的主要原因。温差效应主要包括常年温差、日照温差和气温骤降。在上部结构截面的温差应力计算中，受日照温差影响较大，而在下部结构的温差应力计算中，年温差对其影响较大。常年温差主要会引起纵桥向的变形，但可以通过伸缩缝和支座来消除。本文主要研究的是日照温差的温度应力。混凝土材料的热传导性能较差，变化速度较快的日照温度是引起混凝土箱梁内外温度差的主要原因。用Midas/Civil建立相应的有限元模型，研究影响连续梁桥温度应力的因素并提出相应的控制措施。

1模型建立

用Midas/Civil建立模型，把温度作为模型的荷载对其进行加载计算，软件提供了系温度、节点温度、单元温度、温度梯度和梁截面温度5种温度荷载加载方法，本文用梁截面温度对模型进行加载。模型为1个4×30 m的预应力连续箱梁桥，桥梁宽度20.5 m，主梁高度1.6 m，混凝土强度为C50.主梁模型离散化为120个单元，节点数为121个。

2计算方法

2.1温度梯度

在计算温度应力之前，应先确定温度场在桥梁结构中的分布情况。在实际情况中，温度是x，y，z和时间t的一个四维函数，既T=f（x，y，z，t）.但是，由于腹板日照时间短，底板不能接受日照，所以，只有顶板终日受日照。因此，将温度的分布简化成顶板向下传热的模型，温度梯度一般可以分为线性分布和非线性分布，温度梯度在不同的地区分布各不相同。我国规范的温度梯度如1和表1所示，当梁高H＜400 mm时，图1中A=H－100（mm）；当梁高H≥400 mm时，A=300 mm。为了对比不同温度梯度的计算结果，查找了英国规范规定的混凝土箱梁的温度梯度，如图2所示，桥面顶板和底板的温度以折线形式增加、减少。

图1我国规范温度梯度图2英国规范温度梯度

表1日照温差温度基数

铺装层类型 T1/℃ T2/℃

混凝土铺装 25 6.7

5 cm沥青混凝土 20 6.7

10 cm沥青混凝土 14 5.5

排水、防水处理，减少降雨、地下水对路基稳固性的影响，确保排水的通畅，避免路基和路基附近形成积水面。②通过减重等方式改善路基段的土质环境，降低路基和边坡发生滑坡的概率，尽可能减小路基上的机械作业等产生的震动对土力的影响。③结合滑坡性质，对滑坡段进行集中的整治、处理，改善公路施工的路基环境，确保公路施工和使用的安全性、稳固性。总之，在施工中，结合滑坡的具体情况，采用多种方式组合处理，提高路基处理的效果，提高公路施工的安全性、经济性和方便性，促进公路工程社会效益和经济效益的发挥。

3结束语

公路工程施工距离长、难度大、工程实况复杂。在具体的施工过程中，对特殊路基的处理，一方面，要坚持实事求是的处理原则，对特殊路基的地形、地貌、地质、水纹等进行科学、深入的研究。结合研究结果和以往的施工经验，选择妥当的施工方法进行综合处理。另一方面，特殊路基的处理要结合方便性、经济性的原则，尽可能就地取材，改善路基地质环境，避免不必要的浪费。要将施工工艺与路基自然环境巧妙、紧密地结合起来，确保施工质量控制和成本控制，重视工程的持久性、稳固性和综合效益的发挥。

参考文献

［1］宋万里.对新形势下公路施工中特殊路基处理措施探讨［J］.交通与管理，2013（06）.

［2］江仲明.公路特殊路基复合处理施工技术实践与探讨［J］.中国科技博览，2013（30）.

［3］余洋.探讨公路施工中特殊路基处理方法［J］.黑龙江交通科技，2013（09）.

〔编辑：白洁〕

Basic Processing Method of Special Roadbed in Highway Construction

Fan Bin

Abstract: On the basis of several special features roadbed brief analysis of the proposed special roadbed some basic processing methods, and discuss them with examples, aimed at improving the quality of construction of these special subgrade treatment effect and highway projects.

Key words: road construction; special roadbed; treatment; quality

2.2温度应力计算

假设梁在温度荷载作用下仍服从平截面假定，且温度沿纵向是均匀分布的，仅沿梁高梯度分布。由于顶板温度的升高使梁体有上饶的趋势，但是，由于多余约束的作用，使梁体内产生温度次应力，即弯曲正应力和剪应力。另一方面，因为温度梯度非线性分布，如果梁体纵向纤维无约束即自由变形，则横截面的变形同温度梯度形状相同，与平截面假定矛盾，因此，纵向纤维之间存在自我约束，又被称为自应力。因此，温度应力包括温度次应力和自应力两部分。温度次应力的弯曲正应力、剪应力、材料力学和自应力公式是从范立础的《预应力连续梁桥》中推导出来的，最后由两部分相叠加而成。

3计算结果

3.1公路桥梁沥青铺装厚度的影响

在公路桥梁中，桥面有一层沥青混凝土铺装，沥青混凝土铺装能够吸收部分热量，使得传到桥面混凝土的温度比直接受日照的桥面温度低，从而减小了主梁的日照温差。温度梯度的最大温差减小了，那么相应的温度应力也会减小。根据《公路桥涵交通设计规范》中的温度梯度发布，分别调整模型的温度梯度发布来模拟不同铺装层厚度对温度应力产生的影响，计算结果如表2所示。

由所得计算结果可知，随着桥面沥青混凝土铺装层厚度的逐渐增加，对应的温度内力在逐渐减小。所以，对公路桥梁而言，如果为较厚的沥青铺装层时，它对桥面板有明显的减温作用，但是，较薄的沥青铺装层反而会因为吸热对桥面板产生不利的影响。因此，在桥面板上保证一定厚度的沥青铺装层是降低温度应力的有效措施。

表2不同铺装厚度的温度应力

铺装厚度/cm T1/℃ T2/℃ 温度应力/MPa

5 20 6.7 6.192

6 18.8 6.46 5.827

7 17.6 6.22 5.444

8 16.4 5.98 5.043

9 15.2 5.74 4.662

10 14 5.5 4.297

图3不同铺装厚度的温度应力图4不同温度梯度的计算结果

3.2温度梯度的影响

在桥梁横截面中，不同的温度分布会产生不同的温度应力。本文模拟了我国规范和英国规范中的温度梯度得到相应的计算结果。

图4中给出了第二跨主梁各截面位置的温度应力，从图中可以看出，两国规范的温度梯度计算值相差较大，所以，建立

符合我国的温度梯度是十分必要的。

3.3桥墩高度的影响

通过调整模型中桥墩的高度得出一系列数据，计算简图和计算结果如图5所示。从图5中可以看出，随着桥墩高度的增加，温度影响力在逐渐减小。桥墩高度是制约主梁竖向变形的主要因素，因为温度应力主要是主梁变形受到多余约束的制约而产生的。当高度越高时，桥墩适应主梁竖向变形的能力就越大，产生的温度应力相应就越低，因此，在连续结构中的桥墩应尽量设置成高墩。

图5不同桥墩高度的最大温度应力 图6单双薄壁墩的温度应力

3.4桥墩抗推刚度的影响

桥墩抗推刚度是制约主梁纵向伸缩的主要原因，当桥墩刚度过大时，主梁伸缩会受到较大的限制，不仅在主梁上会产生较大的应力，桥墩上也会产生较大的水平推力。由此可知，可以通过增加桥墩高度、减小墩柱纵向尺寸、采用双薄壁墩等措施来降低桥墩的抗推刚度，从而降低温度引起的伸缩应力。

从图6中可以看出，单薄壁墩和双薄壁墩的温度应力存在一定的差异，双薄壁墩的温度应力比单薄壁墩的温度应力小，这主要是因为双薄壁墩的抗推刚度较小，因此，产生的温度应力也会相应较小。

4结论

通过以上分析，可得出以下结论：①适当厚度的沥青混凝土铺装层有利于减小主梁的温度应力值，并且随着桥面沥青铺装层厚度的增加，对应的温度应力会逐渐减小。②不同的温度分布计算出的温度应力值差异较大，建议相关部门建立符合我国不同地区的温度梯度标准，以提高计算结果的准确性。③桥墩高度是适应连续梁温度变形的重要因素之一。随着桥墩高度的逐渐增加，温度应力会逐渐减小，所以，连续梁桥的桥墩应尽量设置成高墩。④桥墩的抗推刚度是连续刚构桥适应主梁温度伸缩的重要因素。抗推刚度较小的桥墩对应的温度应力也较小，采用双薄壁墩可达到较好的效果。

参考文献

［1］范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］任坤明.预应力混凝土连续刚构桥的温度效应分析［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［3］秦煜.混凝土连续箱梁桥温度效应分析［D］.西安：长安大学，2009.

［4］中华人民共和国交通部.JTGD 60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

〔编辑：白洁〕

Continuous Control of Temperature Stress of Bridge

Deng Xi

Abstract: In bridge construction, continuous beam bridge is widely used, however, because of its nature statically indeterminate structure will be subject to temperature, settlement, shrinkage and creep factors. Temperature stress has been considered to be the main reason for cracks, sometimes, its size and the live load stress can reach the same order, therefore, study and control of temperature stress fractures continuous bridge of great significance. Establishment of a 4 × 30 m by Midas continuous prestressed concrete box girder model, summarized the factors affecting the concrete continuous beam bridge temperature stress, in order to provide a reference for future engineering practice.

Key words: continuous bridge; temperature gradient; temperature stress; Midas/Civil

图3不同铺装厚度的温度应力图4不同温度梯度的计算结果

3.2温度梯度的影响

在桥梁横截面中，不同的温度分布会产生不同的温度应力。本文模拟了我国规范和英国规范中的温度梯度得到相应的计算结果。

图4中给出了第二跨主梁各截面位置的温度应力，从图中可以看出，两国规范的温度梯度计算值相差较大，所以，建立

符合我国的温度梯度是十分必要的。

3.3桥墩高度的影响

通过调整模型中桥墩的高度得出一系列数据，计算简图和计算结果如图5所示。从图5中可以看出，随着桥墩高度的增加，温度影响力在逐渐减小。桥墩高度是制约主梁竖向变形的主要因素，因为温度应力主要是主梁变形受到多余约束的制约而产生的。当高度越高时，桥墩适应主梁竖向变形的能力就越大，产生的温度应力相应就越低，因此，在连续结构中的桥墩应尽量设置成高墩。

图5不同桥墩高度的最大温度应力 图6单双薄壁墩的温度应力

3.4桥墩抗推刚度的影响

桥墩抗推刚度是制约主梁纵向伸缩的主要原因，当桥墩刚度过大时，主梁伸缩会受到较大的限制，不仅在主梁上会产生较大的应力，桥墩上也会产生较大的水平推力。由此可知，可以通过增加桥墩高度、减小墩柱纵向尺寸、采用双薄壁墩等措施来降低桥墩的抗推刚度，从而降低温度引起的伸缩应力。

从图6中可以看出，单薄壁墩和双薄壁墩的温度应力存在一定的差异，双薄壁墩的温度应力比单薄壁墩的温度应力小，这主要是因为双薄壁墩的抗推刚度较小，因此，产生的温度应力也会相应较小。

4结论

通过以上分析，可得出以下结论：①适当厚度的沥青混凝土铺装层有利于减小主梁的温度应力值，并且随着桥面沥青铺装层厚度的增加，对应的温度应力会逐渐减小。②不同的温度分布计算出的温度应力值差异较大，建议相关部门建立符合我国不同地区的温度梯度标准，以提高计算结果的准确性。③桥墩高度是适应连续梁温度变形的重要因素之一。随着桥墩高度的逐渐增加，温度应力会逐渐减小，所以，连续梁桥的桥墩应尽量设置成高墩。④桥墩的抗推刚度是连续刚构桥适应主梁温度伸缩的重要因素。抗推刚度较小的桥墩对应的温度应力也较小，采用双薄壁墩可达到较好的效果。

参考文献

［1］范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］任坤明.预应力混凝土连续刚构桥的温度效应分析［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［3］秦煜.混凝土连续箱梁桥温度效应分析［D］.西安：长安大学，2009.

［4］中华人民共和国交通部.JTGD 60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

〔编辑：白洁〕

Continuous Control of Temperature Stress of Bridge

Deng Xi

Abstract: In bridge construction, continuous beam bridge is widely used, however, because of its nature statically indeterminate structure will be subject to temperature, settlement, shrinkage and creep factors. Temperature stress has been considered to be the main reason for cracks, sometimes, its size and the live load stress can reach the same order, therefore, study and control of temperature stress fractures continuous bridge of great significance. Establishment of a 4 × 30 m by Midas continuous prestressed concrete box girder model, summarized the factors affecting the concrete continuous beam bridge temperature stress, in order to provide a reference for future engineering practice.

Key words: continuous bridge; temperature gradient; temperature stress; Midas/Civil

图3不同铺装厚度的温度应力图4不同温度梯度的计算结果

3.2温度梯度的影响

在桥梁横截面中，不同的温度分布会产生不同的温度应力。本文模拟了我国规范和英国规范中的温度梯度得到相应的计算结果。

图4中给出了第二跨主梁各截面位置的温度应力，从图中可以看出，两国规范的温度梯度计算值相差较大，所以，建立

符合我国的温度梯度是十分必要的。

3.3桥墩高度的影响

通过调整模型中桥墩的高度得出一系列数据，计算简图和计算结果如图5所示。从图5中可以看出，随着桥墩高度的增加，温度影响力在逐渐减小。桥墩高度是制约主梁竖向变形的主要因素，因为温度应力主要是主梁变形受到多余约束的制约而产生的。当高度越高时，桥墩适应主梁竖向变形的能力就越大，产生的温度应力相应就越低，因此，在连续结构中的桥墩应尽量设置成高墩。

图5不同桥墩高度的最大温度应力 图6单双薄壁墩的温度应力

3.4桥墩抗推刚度的影响

桥墩抗推刚度是制约主梁纵向伸缩的主要原因，当桥墩刚度过大时，主梁伸缩会受到较大的限制，不仅在主梁上会产生较大的应力，桥墩上也会产生较大的水平推力。由此可知，可以通过增加桥墩高度、减小墩柱纵向尺寸、采用双薄壁墩等措施来降低桥墩的抗推刚度，从而降低温度引起的伸缩应力。

从图6中可以看出，单薄壁墩和双薄壁墩的温度应力存在一定的差异，双薄壁墩的温度应力比单薄壁墩的温度应力小，这主要是因为双薄壁墩的抗推刚度较小，因此，产生的温度应力也会相应较小。

4结论

通过以上分析，可得出以下结论：①适当厚度的沥青混凝土铺装层有利于减小主梁的温度应力值，并且随着桥面沥青铺装层厚度的增加，对应的温度应力会逐渐减小。②不同的温度分布计算出的温度应力值差异较大，建议相关部门建立符合我国不同地区的温度梯度标准，以提高计算结果的准确性。③桥墩高度是适应连续梁温度变形的重要因素之一。随着桥墩高度的逐渐增加，温度应力会逐渐减小，所以，连续梁桥的桥墩应尽量设置成高墩。④桥墩的抗推刚度是连续刚构桥适应主梁温度伸缩的重要因素。抗推刚度较小的桥墩对应的温度应力也较小，采用双薄壁墩可达到较好的效果。

参考文献

［1］范立础.预应力混凝土连续梁桥［M］.北京：人民交通出版社，1988.

［2］任坤明.预应力混凝土连续刚构桥的温度效应分析［D］.武汉：华中科技大学，2007.

［3］秦煜.混凝土连续箱梁桥温度效应分析［D］.西安：长安大学，2009.

［4］中华人民共和国交通部.JTGD 60—2004 公路桥涵设计通用规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

〔编辑：白洁〕

Continuous Control of Temperature Stress of Bridge

Deng Xi

Abstract: In bridge construction, continuous beam bridge is widely used, however, because of its nature statically indeterminate structure will be subject to temperature, settlement, shrinkage and creep factors. Temperature stress has been considered to be the main reason for cracks, sometimes, its size and the live load stress can reach the same order, therefore, study and control of temperature stress fractures continuous bridge of great significance. Establishment of a 4 × 30 m by Midas continuous prestressed concrete box girder model, summarized the factors affecting the concrete continuous beam bridge temperature stress, in order to provide a reference for future engineering practice.

Key words: continuous bridge; temperature gradient; temperature stress; Midas/Civil