高温沥青摊铺温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥有限元分析

刘奉侠， 王 岚

(1.内蒙古建筑职业技术学院 市政与路桥工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010070； 2.内蒙古工业大学 土木工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051)



高温沥青摊铺温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥有限元分析

刘奉侠1， 王 岚2

(1.内蒙古建筑职业技术学院 市政与路桥工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010070； 2.内蒙古工业大学 土木工程学院， 内蒙古 呼和浩特 010051)

在桥梁工程主体结构完成后会摊铺沥青混凝土，摊铺沥青混凝土会产生高温导致箱梁内产生温差分布，产生温度应力，导致桥梁结构的主体产生裂缝。我国现阶段还没有对高温沥青摊铺引起的桥梁结构的温度场分布做出规定，因此，由其产生的温度应力在设计还没有考虑。以国内外箱梁温度应力理论以及方法为基础，基于ANSYS有限元软件对高温沥青摊铺温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥进行分析，并与日照温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥的应力进行对比。

高温沥青摊铺； 温度场； 钢筋混凝土连续箱梁桥； 有限元分析

1 概述

近年来，我国桥梁的数量不断增加，对桥梁的研究也日益提高。通过目前已知研究发现[1-3]：时间段、变化快的摊铺沥青及太阳辐射造成的温度变化，这种温度变化促使箱梁内部温度分布不均匀，产生极大的温差应力，对桥梁影响极大，会使箱梁桥在施工及运营过程中产生严重裂损，给桥梁的安全造成极大威胁。现阶段，国内外关于温度梯度的研究更多针对日照条件下进行的，美国专家Zuk[4]依据气象资料对桥梁的温度分布进行估计，并导出了梁底面与顶面间的最大温差近似值，并以实桥观测为基础，基于线性温度分布获得了梁的温度应力；Make[5]进行了基于Madway的一系列桥梁研究，并以混凝土连续箱梁符合线性分布的温度荷载作用前提下，并在假设箱梁截面两边及地板温度不改变条件下，进行了桥梁结构的温度效应等；我国铁道部科学研究院的西南研究所[6-9]，以大量实测资料为基础，并基于理论研究，很好的解决了基于混凝土桥梁结构温度荷载及温度应力的理论关系，并构建了极为简便的工程计算方法，并在1984年6月纳入了出版的《铁路桥涵设计规范》[10]。而关于摊铺沥青混凝土对桥梁结构的温度分布研究很少。因此，借鉴国内外箱梁温度应力理论、方法及日照条件下的温度梯度，利用ANSYS有限元软件对高温沥青摊铺温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥进行分析意义重大。

2 有限元模型构建

2.1 工程概述

本文以渭河特大桥连续箱梁为研究对象。渭河特大桥属于西安至铜川高速公路改扩建项目，其上部结构为90+165+95.25 m的预应力混凝土连续箱梁，全长为347.5 m，属于三跨连续钢架桥，公路属于双向四车道高速公路，车辆荷载等级为公路-I级。

2.2 有限元模型

由于钢筋与混凝土是两种不同材料，在进行基于ANSYS软件[7]进行有限元模型构建时，假定钢筋与混凝土具有较好的粘结性，且钢筋混凝土在整个模型单元分布，并将单元看作是理想的均质材料。在进行模型构建时，混凝土用8节点soid65单元模拟，预应力使用link8单元模拟，全桥需要使用159 816个solid65单元、2 680个link8单元进行模拟。即总共的单元数为162 496个，结点数共计195 229个。如图1所示，图1为半跨的桥梁模型；基于钢筋混凝土及普通钢筋模型参数如表1所示。

图1 基于ANSYS软件构建的半跨桥梁模型图Figure 1 A half bridge cross-model diagram based on ANSYS software

表1 基于钢筋混凝土及普通钢筋模型参数Table1 Modelparametersbasedonreinforcedconcreteandreinforced材料弹性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)热膨胀系数钢筋混凝土3.45E40.225511.0E-5普通混凝土2.0E5 0.378501.0E-5

2.3 荷载条件及边界条件

① 恒荷载。主要是指沥青在摊铺过程中的自重，主要基于单元的材料属性进行考量，对于铺装层的荷载，则主要基于面荷载进行参考。

② 温度荷载。利用相关文献中提出的温度场分布公式，在进行温度荷载加载时，不考虑沥青高温摊铺引起的纵向温度差，只考虑温度竖向分布。关于日照温度场[8]所采用规范则为规定的温度场。

本文进行有限元分析所采用的如表2所示。所利用的边界条件：在模型一端添加固端约束条件，在模型另一端不添加约束条件。

表2 基于有限元分析的工况条件Table2 Workingconditionsbasedonfiniteelementanalysis工况名称荷载组合工况一一期恒载+二期恒载+沥青摊铺温度荷载工况二一期恒载+二期恒载+日照温度荷载

3 计算结果及其分析

基于钢筋混凝土的连续箱梁过程中的三维空间体系，每个截面的温度分布，在时间、空间上各有不同，因此，所产生的纵向应力也存在差别。由于每个截面受到的温度变化相同，因此，每个截面的横向温度应力仅仅收到其自身截面的几何形状影响。且也不随着纵向位置的不同而存在差别。本论文首先对桥梁的横向应力进行分析，然后针对竖向应力进行分析研究。如图2和图3所示，分别为基于ANSYS软件的箱梁横向应力分布图以及竖向应力分布图。

图2 基于ANSYS软件的箱梁横向应力分布图Figure 2 Box beam transverse stress distribution based on ANSYS Software

图3 基于ANSYS软件的箱梁竖向应力分布图Figure 3 Box Beam Vertical stress distribution based on ANSYS Software

进行计算结果分析时，需采用如下约定，即：

① 拉应力大小为正值、压应力大小为负值；

② 图中所有数字单位均为MPa；

③ 在进行建模过程中，支座只对单结点进行约束，则在此点必然会产生极大的应力，另一方面，在进行桥梁设计时，应该在支座位置加强配筋，因此，本文在进行计算结果分析时，均忽略了支座结点附近的应力。

3.1 工况一条件下的温度应力分析

图4所示，为在顶板施加横向应力的曲线图。图5与图6所示，为中腹板与左腹板的竖向应力曲线图。

图4 顶板施加横向应力的曲线图Figure 4 Roof graph applied transverse stress

图5 中腹板竖向应力曲线图Figure 5 Vertical stress curve of zhongfu board

图6 左腹板的竖向应力曲线图Figure 6 Vertical stress curve of Zuofu board

对上图分析可以发现，在沥青摊铺过程中，自重与温度荷载共同作用，对中腹板以及左腹板的纵向应力曲线基本一致，大小也极为接近。压应力的产生主要在腹板顶面以及底面位置；拉应力的产生则主要位于腹板中部处。顶板的衡应力的最大位置位于腹板处。由于顶板位于升温过程中，因此顶板也受到压应力作用。

3.2 工况二条件下的温度应力分析

图7所示，为在顶板施加横向应力的曲线图。图8与图9所示，为中腹板与左腹板的竖向应力曲线图。

通过分析图7～图9可知：基于自重以及日照温度荷载条件下，左腹板以及中腹板的纵向应力曲线图形状基本相同，数据大小也几乎相同。压应力主要产生在腹板顶面以及底面；拉应力则主要在腹板中部产生。顶板在腹板位置所受到的压应力为最大，在其他部位，则完全受到压应力作用。

3.3 工况一与工况二分析对比

表3所示，为截面正应力以及横向应力汇总分析结果表。对于表中的较大值范围主要是通过各云图获得的分布范围较大的最大应力值，也忽略了应力集中位置的最大应力值。

图7 顶板横向应力曲线图Figure 7 Roof graph applied transverse stress

图8 中腹板竖向应力曲线图Figure 8 Vertical stress curve of zhongfu board

图9 左腹板的竖向应力曲线图Figure 9 Vertical stress curve of zuofu board

从正应力角度考虑，沥青在高温条件下引起的边跨跨中的截面正应力的增加幅度极大，最大值相对于日照工况条件增加了203%，较大值相对于日照工况增加了100%。尽管沥青摊铺在高温条件下对中跨的影响尽管极小，但相对于日照工况来讲，最大值增加了47%，较大值增加了29%。

表3 结果汇总Table3 Theresultsaresummarized截面位置工况正应力/MPa横向应力/MPa比较%最大值较大值范围平均最大值较大值范围平均统计式正应力横向应力最大值平均较大值最大值平均较大值边跨跨中工况一-0.58-1～0-0.5 2.350～10.5I426770工况二1.451～2-0.52.670～10.5II245167210中跨跨中工况一-1.5 -2～-1-1.5 2.940～10.5I445740 0工况二-0.23-1～0-0.531～21.5II918643 200边跨支座工况一0.1-1～0-0.5 2.242～32.5I0020工况二0.1-1～0-0.53.783～43.5II007240中跨支座工况一-0.57-1～0-0.5 2.041～20.5I-186 0-18 -80 工况二0.45-1～0-0.53.983～43.5II-32 059 40

从支座截面考虑，基于沥青高温以及日照高温所产生的正应力均有利于截面的受力，均降低了最大应力值，原因在于支座位置处于负弯矩区，在箱梁的上部，受拉力作用，在箱梁下部，主要受压力作用。箱梁顶板升温会使得的上部产生膨胀，导致截面了不利拉应力降低。

从横向应力角度考虑，沥青高温产生的边跨跨中，最大值比日照工况提高了15%，较大值基本没有提高。中跨跨中相对于日照工况来讲，其最大值提高了3%，较大值增加了200%。

基于沥青高温的边跨支座，其横向应力相对于日照工况来讲，最大值增加了70%，较大值增加了40%。基于中跨支座的横向应力，沥青高温相对于日照工况，最大值提高了78%，较大值提高了120%。

基于横向应力考虑，基于沥青高温产生的支座，其截面横向应力增加量从整体考虑，比跨中截面的横向应力大。因此，基于沥青高温产生的截面横向应力，其支座处不利，主要原因在于支座位置，基于混凝土的横向膨胀收到支座约束的影响。

4 结论

本文在市场数据的基础上，基于ANSYS有限元分析软件，对高温沥青摊铺温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥进行分析，并与日照温度场下的钢筋混凝土连续箱梁桥的应力进行对比。结果证明：

① 在摊铺高温沥青混凝土施工过程中，基于温度荷载作用产生的最大竖向拉应力，主要位于腹板的中性轴附近；产生的最大压应力则位于顶板的底面位置。对于竖向作用产生的温度应力，主要表现出梁高呈指数函数分布。

② 基于沥青摊铺的过程，其顶板与底板均会产生极大的横向拉应力，这主要由于顶板以及底板的自我约束应力以及框架约束应力产生。

③ 基于沥青摊铺高温产生的温度应力，相对于日照高温来讲，不管是正向应力，还是横向应力，不管是跨中，还是支座位置，均高，最大值均超过日照高温的2倍。

[1] 肖维，焦隆华.基于高温沥青摊铺温度场的钢筋混凝土连续箱梁桥有限元研究[J].公路工程，2014(6)：302-304.

[2] 武建.钢筋混凝土连续箱梁桥沥青摊铺温度应力研究[D].南京：东南大学，2008.

[3] 郝东东.钢筋混凝土箱梁沥青摊铺时温度场及温度应力的研究[D].西安：长安大学，2012.

[4] 朱传勇，刘泰赟.探讨沥青高温摊铺对钢筋混凝土箱梁的影响[J].中国科技纵横，2016(2)：188-190.

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[6] 邓祖华.钢筋混凝土箱梁桥沥青摊铺温度场研究[D].南京：东南大学，2008.

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[8] 刘佳音.钢筋混凝土梁桥柔性铺装工作状态有限元分析[D].大连：大连理工大学，2007.

[9] 钱振东，刘龑，刘阳.高温沥青混凝土摊铺下钢箱梁桥道系温度场模型建立方法：中国，CN103726434A[P].2014.

[10] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

Finite Element Analysis of Reinforced Concrete Continuous Box Girder Bridge on Temperature Field of High Temperature Asphalt Paving

LIU Fengxia1， WANG Lan2

(1.Engineering School of Inner Mongolia Technical College of Construction， Huhehot， Inner Mongolia 010070， China； 2.Inner Mongolia University of Technology， Civil Engineering College， Huhehot， Inner Mongolia 010051， China)

After the completion of the main structure of the bridge project will be paving asphalt concrete.Paving asphalt concrete will generate heat，resulting in a temperature difference distribution within the girder，a temperature stress，the main cause of the bridge structure cracks.Temperature distribution in our country at this stage did not cause high-temperature asphalt paving of the bridge structure to make provision，therefore，thermal stress generated in its design has not been considered.This paper based on domestic and foreign box girder temperature stress theory and ANSYS finite element software to analyze einforced concrete high-temperature asphalt paving temperature field under continuous box girder bridges，then compared with sunshine temperature field of reinforced concrete continuous box girder under the bridge stress.

high-temperature asphalt paving； finite element analysis； temperature field； reinforced concrete continuous box girder bridge

2016 — 06 — 22

国家自然科学基金委员会基金项目(11162012)；内蒙古自治区科学技术厅自然科学基金项目(2014MS0507)

刘奉侠(1975 — )，女，内蒙古锡林郭勒人，副教授，高级工程师，主要研究领域为路桥工程。

U 448.21+5

A

1674 — 0610(2016)05 — 0052 — 05