高寒地区大跨连续刚构桥温度效应研究

刘　超，彭立强，王　冲

（长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

高寒地区大跨连续刚构桥温度效应研究

刘超，彭立强，王冲

（长安大学 公路学院，陕西 西安 710064）

以黑城河特大桥为背景，采用Midas/Civil软件数值模拟分析温度荷载与温度梯度荷载在结构中产生的效应。结果表明，不同合龙温度对桥梁合龙有一定影响，应尽量选择低温进行合龙；桥梁合龙后受温度梯度荷载影响，箱梁下缘会产生应力，观测分析所得温度梯度效应与中国桥涵设计规范给定温度梯度效应基本一致。

连续刚构桥；温度荷载；仿真分析；合龙温度

1　工程概况

黑城河特大桥是位于青海省黄南藏族自治州阿岱到李家峡公路工程中的一座特大连续钢构桥梁。该桥的上部主要采用分幅式结构，其中主桥部分为对称的3跨1联式结构，跨度为（57.5+95+57.5）m，主桥截面采用变截面单箱单室结构，截面受到3向的预应力影响，其中每箱的宽度为6.7 m，翼板的悬臂端为2.65 m，主桥的桥面全宽为12 m，如图1所示。该桥呈南北走向。以其中左幅主跨进行观测，此时桥梁主跨刚刚合龙。桥梁的温度场采用FlukeTi25热成像仪现场观测箱梁内外表面各点的温度值。

2　温度场、温度作用与温度应力

如同重力场、速度场，物体中存在着温度场，它是各个时刻物体中各点温度分布的总称。一般来讲，温度场是空间坐标与时间的函数，即

式中：x、y、z为空间笛卡儿坐标，t为时间坐标。

图1　黑城河特大桥主桥总体布置（单位：cm）

根据温度场与时间的关系，可以把温度场分为两类：一类可以不考虑温度作用的时间效应，即物体中各点温度不随时间变化的温度场，称为稳态温度场。另一类是各点温度随时间变动的温度场，称为瞬态温度场［1-3］。

桥梁结构的温度作用可以分为3种：（1）混凝土浇筑和养护过程中，水泥发生化学反应释放出的水化热；（2）混凝土结构由于其使用功能涉及冷、热流体，甚至明火，而必须承受的功能热荷载；（3）结构物所处环境的各种气候和环境因素对桥梁影响。

本文不考虑水泥水化热和结构的功能热荷载，仅考虑气候和环境因素对桥梁的影响。对连续刚构桥合龙阶段进行整体升温降温研究，合龙后对主跨进行温度梯度研究。

3　黑城河特大桥合龙温度的分析

桥梁结构的平均温度通常是采用当地气象部门历年来收集的资料进行确定。对于黑城河特大桥，由于其位于青海地区，青海地区属于高原气候，温度相对较低，并且早晚温差较大，日照较强，一般是在1月份外界温度呈现出最低值-20 ℃，在7月份呈现出最高值35 ℃。桥梁结构的温度变化情况不仅仅取决于外界的温度变化，还跟结构自身的材料、截面特性以及日照强度等因素有关。另外在夏季，由于外界温度出现较大的提升，还需要对桥梁结构进行整体升温情况的考虑，而冬季则相反，要对结构进行整体降温情况的考虑。在进行有限元分析计算的时候，对于温度变化的初始值取桥梁的设计温度取值，之后再对不同情况下的桥梁整体升降温情况分别进行计算。对于连续刚构桥来说，由于其在合龙之后属于超静定结构，因此，如果结构的合龙温度较高，外界温度下降而引起的结构温度下降会使结构产生较大的温度次内力，因此，一般不能在温度较高的时候进行合龙施工。但是当温度较低时，混凝土的凝结会受到较大的影响，因此在规范中对于合龙温度的最低值规定为5 ℃。经过上述分析，在进行合龙温度的选择时，应该根据当地的温度变化情况综合进行考虑［4］。

本节中根据青海地区特殊的高原严寒地区的温度变化情况，采取了4个合龙温度（5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃）进行分析，另外由于青海地区的温差较大，因此采取温差40 ℃进行分析，具体温度变化见表1。

4　合龙温度的计算分析

为了保证黑城河特大桥的顺利合龙，对于温度效应对该桥的应力应变的影响采用Midas/Civil有限元分析软件依据其合龙方案对该桥进行温度影响的分析。依据前文中采取的不同的合龙温度，本节相应地分为4个不同的温度变化工况如下：工况1为5 ℃；工况2为10 ℃；工况3为15 ℃；工况4为20 ℃。在对各种不同工况下的桥梁进行内力值分析时，对于主梁选取边跨根部、中跨根部以及中跨跨中3个控制截面进行分析，对于桥墩的控制截面则选取：边跨墩顶、边跨墩底、中跨墩顶以及中跨墩底。对于不同工况下各个控制截面的位移变化情况如图2、图3所示，正常使用状态下主梁最不利组合弯矩如表2、表3所示。

表1　不同的合龙温度 ℃

图2　升温时主梁控制截面的位移变化

图3　降温时主梁控制截面的位移变化

根据表2、表3可以看出，由于整体升温或整体降温会使得桥梁结构的主梁产生较大的变形以及弯矩。当采用不同的合龙温度对连续刚构桥进行合龙时，主梁由于温度荷载产生的内力不同，整体升温或降温值越大，主梁结构产生的内力越大。在预应力混凝土连续刚构桥中，结构受力最不利的截面是桩底截面。从表中可以看出，连续刚构桥随着合龙温度的升高除中跨截面的弯矩变化较小之外，其他各个控制截面的正常使用极限状态下的主梁最不利组合情况下的弯矩都随着温度的升高有明显的提升，而桩底变化最大。

5　温度梯度荷载效应［5-6］

混凝土箱梁受到阳光照射，由于混凝土材料导热系数较小温度变化较慢的性质，使得箱梁沿高度方向存在不同温度，从而产生温度梯度。国内外都发生过由于温度应力而导致混凝土结构桥梁严重裂损的事故。我国公路桥涵设计规范仅给出了T型截面梁简单日照温差分布模式，本文对截面为箱梁的连续刚构桥的研究是有必要的。中国公路桥涵设计规范与现场实测得到的温度梯度荷载分别作用到所观测的桥梁中，以Midas/Civil有限元软件分析温度梯度荷载产生的效应。结果如图4~图7所示。

表2　正常使用极限状态下主梁最不利组合弯矩（升温) kN·m

表3　正常使用极限状态下主梁最不利组合弯矩(降温) kN·m

由图4可得，在升温温度梯度荷载作用下，箱梁下缘会产生压应力，本文观测所得温度梯度荷载产生的温度应力与中国公路桥涵设计规范规定荷载产生的值相近。由图5可得，在降温温度梯度荷载作用下，箱梁下缘会产生拉应力，本文观测所得温度梯度荷载产生的温度应力与中国公路桥涵设计规范规定荷载产生的值相近。

由图6、图7可得，日照温度梯度荷载在混凝土连续刚构箱梁桥中产生的顶板中部竖向变形数值不大。但本文观测得到的升、降温度梯度荷载在桥梁主跨跨中产生的竖向变形与公路桥涵设计规范给定温度梯度荷载在桥梁主跨跨中产生的变形略有差异。

图4　升温温度梯度荷载

图5　降温温度梯度荷载

图6　升温温度梯度荷载

图7　降温温度梯度荷载

6　结论

（1）不同的合龙温度对结构桩底截面产生的内力值不同，当合龙温度越高时，桩底截面产生的内力值越大，截面上的拉应力和压应力也越大，对结构受力越不利。

（2）应当选取桥梁结构当地环境中温度较低时刻作为连续刚构桥的合龙时刻。另外桥梁结构控制截面的最不利组合应力主要由温降荷载控制，温升荷载对墩桩控制截面的最不利组合应力影响相对较小，较大的温降荷载会对墩桩控制截面产生较大的内力，因此，应尽量选择低温下进行合龙。

（3）本文所测温度梯度荷载效应与公路桥涵设计规范给定温度梯度荷载效应基本一致。

［1］JTJ D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.

［2］JTJ D62—2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［3］叶见署，贾琳，钱培舒.混凝土箱梁温度分布观测与研究［J］.东南大学学报（自然科学版），2002，32（5）：788-793.

［4］李宏江，李湛，王迎军，等.广东虎门辅航道连续刚构桥混凝土箱梁的温度梯度研究［J］.公路交通科技，2005（5）：67-70.

［5］ 侯波，钱宇峰，徐变.温度对大跨径连续梁桥施工控制的影响［J］.公路，2005（4）：69-71.

［6］刘兴法.预应力混凝土箱形梁的日照温度应力与位移计算［J］.桥梁建设，1980（1）：32-38.

Study on Temperature Effect of Long-span Continuous Rigid Frame Bridges in Alpine Region

Liu Chao， Peng Liqiang, Wang Chong
（School of Highway, Chang' an University, Xi' an 710064, China）

This thesis simulated and analyzed using Midas/Civil software on the background of black river bridge. The results showed that different closure temperature on the bridge has a certain influence. Choosing the low temperature to closure was benefit for the bridge. After the closure of the bridge, due to temperature gradient load, the bottom of the box girder produce stress. The effects from temperature gradient load which caused by observation or standard were consistent.

continuous rigid frame bridge; temperature load; simulation analysis; closure temperature

U441.5 U448.23

A

1672-9889（2015）04-0035-03

刘超（1989-），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向为桥梁抗震。

（2014-11-24）