温度梯度对施工中钢箱梁支座反力的影响分析

魏孟春，乔建刚，王文欣

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

0 引言

随着大跨径桥梁的修建，越来越多的桥梁选择采用钢箱梁的形式。在钢箱梁施工过程中，因钢材导热性能好，日照产生的梯度温度作用对钢箱梁的影响比较显著。近年来国内外学者针对混凝土箱梁温度分布及其效应做了大量的研究工作。而钢桥在日照作用下产生显著的温度效应已得到工程界的普遍重视，亟待深入研究。

我国现行的规范给出的日照温度梯度模式是对各国规范进行对比分析，选择美国AASHTO 规范温度梯度曲线并进行适当修改而得到的，且只给出了混凝土梁及带混凝土桥面板钢梁的竖向温度梯度。各国规范中只有英国规范BS－5400 对钢箱梁桥的温度作用进行了详细的规定，因此国内一般参照BS－5400 的规定来考虑钢箱梁桥的温度效应。英国桥规(BS－5400)对钢箱梁温度梯度的规定［1］如图1和表1所示。

表1 BS－5400 中温度梯度参数

图1 BS－5400 中温度梯度曲线

在实际工程中，特别是施工阶段中，由于没有铺装层，钢箱梁的温度梯度效应更加明显［2，3］，并对工程施工过程中的安全以及成桥支座反力有很大的影响，国内一些学者通过对钢桥温度场的现场监控与有限元分析，对公路钢桥温度梯度展开了相关的研究工作并得到了一定的成果［4～9］。

本文根据某钢箱梁桥在实际工程中出现的支座脱空现象进行有限元分析，并根据分析结果进行了整理总结，可以作为钢箱梁施工设计的参考。

1 项目背景

本文以一座下跨铁路的公路钢箱梁桥为研究对象，该桥为连续钢箱梁桥，跨径布置为(48+61+38)m。钢箱梁主梁横截面为单箱三室，桥面板为正交异性板结构，如图2所示，顶底板宽度分别为19.8 m 和7 m，梁高3.2 m，底板宽11.25 m，桥面横坡为2%，两侧悬臂一侧3.5 m 一侧5 m，每隔3 m设置一道横隔板，U 肋上口宽为300 mm，下口宽为180 mm，高260 mm，厚为8 mm，中心距为600 mm。该桥支座为每个墩柱处4 个支座，均在腹板下方布置，现将 16 个支座分别编号为 1 －1～4 －4，具体支座布置与编号如图3所示。

图2 钢箱梁横断面(单位:m)

图3 钢箱梁支座布置图

该桥施工方式采用顶推施工，钢箱梁制作为现场逐段焊接，3 个箱室分别在工厂预制成9 m 一个的节段，然后在桥梁施工现场将3 个箱室焊成一个整体之后进行顶推施工。在顶推到位之后，出现了边墩上的边支座在晚上脱空的现象，由于支座白天未出现脱空，仅在晚上出现脱空，经分析认为是由于温度梯度引起的钢箱梁翘曲现象引起的。

该桥为弯钢箱梁桥，地处北方，施工时为夏季，昼夜温差较大，为了进一步研究日照温差对钢箱梁桥的支反力的影响，建立了较为精细的板单元模型，并对该桥在日照温度梯度进行了监控，根据实测温度梯度值计算在实际工程中梯度温度荷载对支反力的影响。

2 钢箱梁温度梯度有限元分析

本文通过有限元软件MDIAS/FEA 建立了桥梁的板单元有限元模型。钢箱梁的材料为Q345qENH钢材，弹性模量取206 GPa，泊松比为0.3，模型共划分为14 万个单元，有限元模型如图4所示。

根据实测结果，钢箱梁在白天处于梯度升温，晚上处于梯度降温环境下，顶板最高温度出现在下午13:00 左右，竖向温差为正温差，为26.6 ℃，即全天截面最大正温度梯度。顶板最低温度出现在早晨5:00 左右，竖向温差为为－2.6 ℃，即全天截面最大负温差;晴天钢箱梁截面竖向温差较大，正温差出现在06:00～20:00 时，其余时刻钢箱梁截面为负温差，实测温度梯度曲线如图5所示。

图4 有限元模型图

图5 实测温度梯度曲线

根据实测结果可以看出实测的温度梯度略小于英国规范中无铺装钢箱梁的温度梯度规定，数值模型采用实测的温度梯度对钢箱梁进行加载，通过计算得到梯度升降温下结构的应力云图与支座反力如图6及表2所示。

由结果图表可以看出，在白天梯度升温晚上梯度降温的工况下，在仅考虑温度引起的支座反力的情况下，晚上支座反力会与白天相比会有很大变化:

表2 支座反力表

图6 支座反力图

在白天升温梯度荷载作用下，钢箱梁在横向会产生翘曲变形，边跨边支座会产生压力增大;中跨的中支座会产生很大的负支座反力。在晚上梯度降温荷载作用下，钢箱梁的边跨边支座会产生一定的负支座反力;中跨的中支座会产生较大的正支座反力。由于降温梯度较小，由梯度降温引起的支座反力变化较小。

由于该桥为分阶段现场焊接顶推施工，通过分析结果可知若在白天升温梯度下进行焊接，则在晚上降温梯度荷载下边墩的边支座会发生翘曲，很可能发生脱空的现象;而中墩支座的中支座会产生很大的压力荷载。若是在晚上降温梯度荷载下进行焊接，则在白天升温梯度荷载作用下，边墩支座的边支座的支座反力会大大增加;而中墩支座的中支座会产生负支座反力，有脱空的可能，而产生正支座反力的支座可能会将支座压坏，故在施工过程中应控制箱梁焊接拼装时梯度温度较小。

根据分析可知，计算结果与实际工程中发生在顶推到位之后出现边墩的边支座发生晚上支座脱空，白天支座不脱空的现象相吻合。之所以出现这种现象是由于焊接时箱梁处于升温梯度荷载下，当晚上处于降温梯度下时，箱梁发生了翘曲从而导致边墩的边支座发生脱空的现象。

3 结论

本文通过有限元模型，分析了在实测梯度升温和梯度降温对支座反力产的影响。得到了以下结论:

1)在升温梯度荷载作用下，钢箱梁边跨边支座支反力增大;中跨的中支座产生较大负支座反力。在梯度降温荷载作用下，边跨边支座产生一定的负支座反力;中跨的中支座支反力增大。

2)在夏季白天梯度升温，晚上梯度降温荷载作用下钢箱梁施工中较容易出现支座脱空与支反力增大。

3)温度梯度作用下较宽的钢箱梁会发生翘曲现象，故在施工过程中，应尽量避免在温度梯度过大的情况下进行焊接拼装。

［1］BS －5400 －4 －1990，Code of practice for design of concrete bridge［S］.

［2］张玉平，杨 宁，李传习.无铺装层钢箱梁日照温度场分析［J］.工程力学，2011，28(6):156 －162.

［3］李传习，杨 宁，张玉平，等.杭州江东大桥钢箱梁的日照温度梯度及顶推过程中末段梁的变形［J］.交通科学与工程，2009，25(1):39 －44.

［4］丁幼亮，王高新，周广东，等.基于现场监测数据的润扬大桥斜拉桥钢箱梁温度场全寿命模拟方法［J］.土木工程学报，2013，46(5):129 －136.

［5］孙 君，李爱群，丁幼亮.润扬长江大桥钢箱梁的温度分布监测与分析［J］.公路交通科技，2009，26(8):94 －98.

［6］郝 超，丁润贤，柳世强.钢桥温度场分布的数值模拟［J］.世界桥梁，2002(3):59 －62.

［7］谢尚英.广州猎德大桥索塔日照温度效应分析［J］.桥梁建设，2007(2):72 －75.

［8］董继恩，王欣楠，刘东升.钢箱梁桥温度效应的空间有限元分析［J］.中外公路，2012(4).

［9］何 翔，方诗圣，方 飞，等.不同梯度温度作用下曲线桥梁的温度效应分析［J］.合肥工业大学学报(自然科学版)，2012，35(8):1088 －1092.