钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析

王新泽

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山　063000)



钢管混凝土拱桥环境温度引起的应力挠度分析

王新泽

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)

摘要:分析了钢管混凝土拱的挠度和拱趾处应力随环境温度改变而产生的变化。结果表明:环境温度引起的轴向应力和拱肋自重引起的轴向应力绝对值均不超过100 MPa;拱肋截面应力变化并非同步，而是存在一个弯曲效应，环境温度每变化5℃引起拱顶竖向位移变化17 mm;由当地最高温度引起的拱顶挠度变化为向上55. 6 mm，由当地最低温度引起的拱顶挠度变化为向下135. 6 mm;由环境温度变化引起的竖向高差不均匀是高速列车行驶的安全隐患，不可忽略。

关键词:钢管混凝土拱桥环境温度挠度温度应力西溪河大桥

钢管混凝土拱桥广泛地应用于铁路、公路桥梁中，特别是随着高速铁路的快速发展，对钢管混凝土拱桥提出了许多新的要求。

钢管混凝土拱桥结构形式多样，其温度研究尚不充分，距离指导设计施工还有较大距离［1-2］。文献［3-7］研究了拱的温度应力，但是并没有关注温度引起的拱的挠度变化。而文献［8-9］对有效合龙温度的理论进行了研究。文献［10-11］则对拱圈在日照辐射温度场的温度传导进行了研究。

由于高速铁路对挠度要求很高，钢管混凝土拱桥随环境温度变化所引起的沿桥纵向挠度的变化，将引起桥面不均匀高差变化，对列车的安全行驶存在重大隐患。目前针对环境温度引起的钢管混凝土拱桥的挠度变化研究较少，本文分析了钢管混凝土拱肋(以成贵高速铁路西溪河大桥为例)的挠度和拱趾处应力随环境温度改变而产生的变化。

1　有限元模型

1. 1成贵高速铁路西溪河铁路大桥简介

新建高速铁路成都至贵阳线乐山至贵阳段西溪河特大桥主桥采用240 m跨的上承式钢管混凝土提篮拱桥，计算跨度240 m，矢高55 m，拱轴系数2. 2，矢跨比1 /4. 364。拱肋全长范围为等截面，由两肢Q345qd钢管和其间的两块钢板焊接成哑铃型，内填充C50混凝土;拱趾起拱两端各53. 0 m范围内用两块钢板连接，内填充C50混凝土构成箱形截面，其余部分用H型钢连接成格构段。图1为西溪河大桥布置示意。

图1西溪河大桥布置(单位: cm)

桥址区属亚热带季风气候区，据附近大方县气象资料，该地区多年平均气温15. 7℃，极端最高气温39. 4℃，极端最低气温－14. 2℃。

1. 2有限元模型介绍

钢管混凝土目前有3种计算理论［12］:将钢管混凝土视为一种特殊的材料;将钢管或者混凝土折算为另外一种材料;将钢管和混凝土视为两种不同材料并考虑二者的黏结。本文采用独立建模方式，将Q345qd钢材和C50混凝土分别建立模型，视钢材和混凝土同步变形，不考虑二者的滑移效应。

建模采用ANSYS有限元软件，桁架拱杆件采用空间梁单元Beam188，盖板采用Shell181单元，混凝土采用Solid45单元，不同单元采用共节点方式以实现变形协调。西溪河大桥主桥拱桁采用Q345钢管，钢桁架弹性模量Es= 2. 1×105MPa，泊松比υs= 0. 3，拱桁内部分灌注C50混凝土，弹性模量Ec= 3. 5×104MPa，泊松比υc= 0. 2。模型如图2所示。

Q345qd钢材热膨胀系数取1. 2×10－5/℃，弹性模量取210 GPa，泊松比取0. 3; C50混凝土热膨胀系数取8×10－6/℃，弹性模量取34. 5 GPa，泊松比取0. 167。

图2有限元模型

2　有限元结果分析

2. 1合龙温度和温度荷载的确定

合龙时的环境温度并不能作为计算温度荷载的基准温度，因为合龙后混凝土凝固放出的水化热会在混凝土中产生残余温度。文献［8］中通过试验和理论分析的方法指出，在没有实际测量的基础上，可近似认为:温降计算可取当月平均温度加4～5℃作为基准温度，温升计算取当月平均温度作为基准温度。

西溪河大桥合龙施工处于7月份，该月份大桥所在地区平均气温为23. 31℃。本文取23. 31℃作为计算环境温度的基准温度。

2. 2拱趾处温度引起的应力分析

将拱趾处拱肋截面4个钢管混凝土拱圈命名为A，B，C，D，如图3所示。计算自重工况下每个拱圈的轴向应力，结果见表1。

图3拱趾处拱肋截面布置

表1自重引起杆件轴向应力　MPa

分别计算每个拱圈在不同温度下的轴向应力。温度荷载取－15～40℃，以5℃为梯度，基准温度取23. 31℃。图4为由温度引起的轴向应力，图5为温度和自重共同作用下的轴向应力。

图4温度引起的轴向应力

图5温度和自重共同作用下的轴向应力

由图4、图5可以看出，当温度高于基准温度时，拱趾处的应力为压应力;当温度低于基准温度时，拱趾处的应力为拉应力。

可以看出，随着温度的变化，4个拱圈的温度应力变化并非同步:拱肋上弦随温度变化而产生的应力变化大于拱肋下弦随温度变化而产生的应力变化; A拱圈对温度最为敏感，当环境温度升高或降低时其产生的温度应力最大;而C拱圈对温度最不敏感。由于4个拱圈轴向应力不同，可以认为拱肋截面在环境温度作用下产生双向弯曲效应。

同时考虑环境温度和拱自重后可得出以下结论:环境温度引起的轴向应力和拱肋自重引起的轴向应力绝对值均不超过100 MPa。在不考虑其他荷载工况情况下，当温度低于2℃时便会在拱肋A拱管内产生拉应力，在温度低于0℃时便会在拱肋A拱管内产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉承载力时便会造成开裂。由于计算模型没有考虑钢管混凝土拱上结构的自重，因此除非遇到未浇筑拱上结构前温度骤然降低到0℃以下的情况，否则可认为环境温度变化不会引起混凝土开裂。

2. 3温度引起的挠度分析

本节分析了环境温度引起的拱肋竖向挠度沿纵向的变化。计算环境温度引起的，距拱趾处水平距离0 ～120 m的单肢拱肋上、下弦形心处的竖向挠度。拱肋全长240 m，取半( 120 m)结构提取结果。温度荷载取－15～40℃，以5℃为梯度，基准温度取23. 31℃，计算结果见图6和图7。

图6上弦截面形心挠度沿拱肋纵向变化

图7下弦截面形心挠度沿拱肋纵向变化

由图可见，当温度高于基准温度时，拱肋产生向上的竖向变形;当温度低于基准温度时，拱肋产生向下的竖向变形。沿着拱肋纵向，从拱趾到拱顶挠度变形不断增大，进而会引起桥面高程的变化。

环境温度变化引起的上弦挠度变化大于下弦挠度变化。在同一环境温度下，距离拱趾水平距离相同的拱肋上弦和下弦挠度相差2～4 mm。这一情况和上一节提到的环境温度变化引起的拱肋上弦应力大于拱肋下弦应力是一致的。

图8拱顶上弦截面形心处的挠度

图8为环境温度引起的拱顶上弦截面形心处的挠度变化。从图中可以看出，当温度每变化5℃，挠度变化17 mm左右。西溪河大桥在当地极限低温情况下，拱肋向下位移为135. 26 mm;在当地极限高温情况下，拱肋向上位移为55. 6 mm。

3　结语

拱肋的竖向挠度和拱趾处的应力会随着温度变化产生较大变化。环境温度引起的轴向应力和拱肋自重引起的轴向应力绝对值均不超过100 MPa。环境温度变化引起的拱肋截面轴向应力不是均匀分布的，存在一个弯曲效应。沿着桥的纵向从拱趾到拱顶挠度变化不断增大。温度每变化5℃则拱肋垂向位移变化17 mm左右。拱肋的上下弦的竖向位移变化也不相同，上弦挠度变化大于下弦挠度变化。

在当地极限高温情况下，西溪河大桥拱趾和拱顶相对高差可达55. 6 mm;而在当地极限低温情况下拱趾和拱顶相对高差可达135. 6 mm。这已经对高速列车的行驶造成了安全威胁，需要在设计钢管混凝土拱桥之前考虑到环境温度引起的高差变化。

参考文献

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［2］陈宝春，刘振宇．钢管混凝土拱桥温度问题研究综述［J］．福州大学学报(自然科学版)，2009，37( 3) : 412-418．

［3］徐爱民，陈宝春．钢管混凝土拱桥温度应力数值分析［J］．福州大学学报(自然科学版)，1999，27( 3) : 15-18．

［4］何雄君，文武松，胡志坚．钢管混凝土拱桥温度荷载分析［J］．桥梁建设，2000( 1) : 17-19．

［5］陈宝春，徐爱民，孙潮．钢管混凝土拱桥温度内力计算时温差取值分析［J］．中国公路学报，2000，13( 2) : 52-56．

［6］熊红霞．钢管混凝土拱桥收缩徐变与温度应力的数值模拟分析［D］．武汉:武汉理工大学，2004．

［7］赵毓成．钢管混凝土拱桥温度应力分析［D］．沈阳:东北大学，2006．

［8］张后举．中承式钢管混凝土拱桥温度场及温度效应分析［D］．西安:长安大学，2009．

［9］林春姣，郑皆连，黄海东．钢管混凝土拱计算合龙温度试验研究［J］．广西大学学报(自然科学版)，2010，35( 4) : 601-609．

［10］王璐，向中富，杜秋．钢管混凝土构件温变试验分析［J］．辽宁省交通高等专科学校学报，2005，7( 4) : 9-11．

［11］黄福云，陈宝春，柯婷娴．钢管混凝土哑铃形拱的计算温度取值研究［J］．福州大学学报(自然科学版)，2011，39( 2) : 266-275．

［12］钟善桐．钢管混凝土统一理论:研究与应用［M］．北京:清华大学出版社，2006．

(责任审编赵其文)

Analysis of stress and deflection of concrete-filled steel tubular arch bridge caused by ambient temperature

WANG Xinze

( The 2th Engineering Co．，Ltd．of the 18th Bureau Group of China Railway，Tangshan Hebei 063000，China)

Abstract:In this paper，the deflection of concrete-filled steel tube arch and the stress distribution at the arch springing were analyzed due to the temperature effect．T he results show that the axial stress due to temperature effect and selfweight is less than 100 M Pa．T he stresses of each part of the arch section are not synchronous and there is a bending effect．As the ambient temperature changes every 5℃，there is a 17 mm vertical displacement at the arch crown．T he maximum upward deflection caused by the local highest temperature is 55. 6 mm while the maximum downward deflection caused by the lowest temperature is 135. 6 mm．T he vertical deflection caused by temperature change may threaten the safety of the operation of trains．

Key words:Concrete-filled steel tubular arch bridge; Ambient temperature; Deflection; T emperature stress; Xixi river Bridge

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0039-04

作者简介:王新泽( 1984—)，男，工程师。

基金项目:住建部科学技术项目( 2015-K3-021) ;天津市自然科学基金项目( 13JCYBJC19600) ;天津市交通运输委员会科技项目( 2014-23)

收稿日期:2015-06-05;修回日期: 2015-10-26

中图分类号:U448．22+2

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．09