新旧公路桥涵规范梯度温度对箱梁影响

张广达, 武庆祥, 龙佩恒

(北京建筑大学 土木与交通工程学院, 北京 100044)

Zhang Guangda, Wu Qingxiang, Long Peiheng

(School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

新旧公路桥涵规范梯度温度对箱梁影响

张广达, 武庆祥, 龙佩恒

(北京建筑大学 土木与交通工程学院, 北京 100044)

《公路桥涵设计通用规范JTGD60—2004》对《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ023—85》中的梯度温度进行完善. 《公路桥涵设计通用规范JTGD60—2015》增加了有关横向温度梯度作用的规定. 为研究新旧规范梯度温度对宽箱梁结构的影响，以一座3跨连续宽箱梁为例，采用ANSYS13.0有限元分析软件为计算工具，对结构进行温度应力分析. 计算结果显示：2004年规范和2015年规范定义的梯度温度对结构影响规律基本相同；2004年规范和2015年规范较1985年规范温度效应差异较大；2015年规范较其他规范对箱梁底板影响差异比顶板影响差异大.

新旧设计规范； 混凝土箱梁； 梯度温度； 温度荷载； 应力分析

Zhang Guangda, Wu Qingxiang, Long Peiheng

(School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

近年来，国民经济飞速发展，交通量日益增加，公路桥梁承担交通运输任务逐渐加重. 因此桥梁安全也成为人们重点关注的课题. 公路桥涵设计规范的不断更新，也是对荷载等级的不断完善，对加载模式的合理性不断探究. 比如温度梯度效应就在规范更迭过程中经过三次重大改动，每种梯度温度模式下，桥梁温度效应之间的差异，值得我们进行深入探究.

周凯[1]通过研究混凝土拱桥在新旧荷载公路桥涵规范下荷载效应差异，提出新规范非线性的温差取值较旧规范偏于安全. 魏霞[2]在讨论新旧规范梯度温度荷载对箱梁结构受力时提出，《公路桥涵设计通用规范JTGD60—2004》(以下简称《2004规范》)中的梯度温度荷载较《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTJ023—85》(以下简称《1985规范》)对结构使用阶段受力影响较大. 王林[3]对比箱梁在各种梯度温度荷载下的应力计算分析.

2015年推出的《公路桥涵设计通用规范JTGD60—2015》(以下简称《2015规范》)，较《2004规范》对结构影响差异不得而知. 本文主要通过对比结构在《1985规范》、《2004规范》和《2015规范》不同梯度温度荷载模式的受力分析结果，研究新旧规范对结构内力计算的影响差异.

1 梯度温度

20世纪60年代以来，国内外学者均发现混凝土的开裂多因温度引起. 《1985规范》规定：混凝土连续梁的日照引起的桥面板与其他部分的温度差将在梁内产生内力，在缺乏资料时，可假定该温度差为+5 ℃[4]，采用的梯度温度形式如图1所示. 但是在长时间的实践过程中，人们发现《1985规范》中规定的梯度温度与实际情况不符. 随着对桥梁工程的不断认识和现代交通的错综复杂，《1985规范》已经不能满足桥梁的相关设计要求.

随着《1985规范》退出历史舞台，2004年颁布的新的《2004规范》重新对梯度温度荷载进行定义，采用的梯度温度形式如图2所示[5]. 其桥面板表面的最高温度T1规定见表1. 对于混凝土结构，当梁高H小于400 mm时，图中A=H-100(mm)；梁高H等于或大于400 mm时，A=300 mm. 对于带混凝土桥面板的钢结构，A=300 mm，t为混凝土桥面板的厚度.

表1 竖向梯度温度取值

经过11年的不断实践，我国学者发现《2004规范》对温度梯度的定义并不是十分完善. 于是2015年颁布的《2015规范》在《2004规范》的基础上，修订增加横向温度梯度作用的有关规定“无悬臂的宽幅箱梁，宜考虑横向温度梯度引起的效应[6]”，竖向梯度温度依旧延续《2004规范》的定义，横向梯度温度采用的梯度温度形式如图3所示. 图中B1为边箱宽度，B为箱梁半宽.

横向梯度温度作用一般根据桥梁的地理位置、环境条件等因素经调查研究确定；无实测温度数据时，横向梯度温度取值见表2.

表2 横向梯度温度取值

2 计算模型简介

本文以深圳机场项目中一联(30+35+30)m三跨等高混凝土连续梁桥作为算例. 该桥为横向等宽箱梁，三跨均为单箱五室截面. 箱梁顶板宽度为25 m，厚度为0.37 m. 底板宽为20.44 m，厚度为0.3 m. 两侧悬臂长2 m，梁高2 m. 具体截面尺寸见图4.

借助ANSYS13.0有限元分析软件，建立有限元模型. 本模型中采用C50混凝土，弹性模量Ec=3.45×104MPa，混凝土质量密度为ρ=2 600 kg/m3，泊松比υ=0.3. 桥梁结构中，都含有一定数量的钢筋. 由于钢筋所占的体积相比混凝土所占的体积要小的多，为了简化问题，一般可以将钢筋混凝土桥梁结构近似的当成均质且各向同性的材料，并且忽略钢筋的影响. 本文中混凝土采用solid65实体单元, 采用映射网格划分单元，整个梁体划分单元为六面体，每个单元均由8个节点结合而成. 模型共划分887 480个单元，1 116 150个节点. 中间一处支座采用三向铰接，即Ux、Uy、Uz三方向约束；其余各处均约束Uy方向. 箱梁温度应力分析的有限元模型如图5所示.

3 温度应力分析

3.1 计算结果

分别采用《1985规范》、《2004规范》和《2015规范》对温度梯度规定的加载模式计算桥梁温度应力，《1985规范》梯度温度下桥梁横向应力云图如图6、图7所示；《2004规范》梯度温度下桥梁横向应力云图如图8、图9所示；《2015规范》梯度温度下桥梁横向应力云图如图10、图11所示.

3.2 计算结果的分析对比

分别提取混凝土箱梁边、中跨L/4、L/2、L3/4位置，沿桥宽方向顶板、底板横向应力，《1985规范》、《2004规范》和《2015规范》的计算结果对比如图12～图23所示(0点位置为降温侧). 在以下分析中，L为计算跨径，B为箱梁顶板或底板宽度，并规定拉应力为正，压应力为负.

3.2.1 边跨应力计算结果

混凝土箱梁边跨L/4位置处顶、底板按照新旧规范定义的梯度温度分别加载后的横向应力曲线如图12、图13所示.

由图12可以看出，新旧规范加载梯度温度在边跨L/4处顶板的横向应力曲线关于B/2位置大体对称分布，且压应力最大值出现在3B/8、5B/8位置；《2004规范》、《2015规范》产生横向应力值差异较小，最大差值0.31 MPa，但较《1985规范》差异大，最大差值分别为7.5 MPa和7.19 MPa. 由图13可以看出按不同规范加载温度梯度在边跨L/4处底板的横向应力曲线趋势大致相同，由于横向梯度温度作用，《2015规范》应力曲线关于B/2位置呈现不对称分布；《2004规范》较《1985规范》7B/8处应力值降低0.08 MPa；《2015规范》较《2004规范》升温一侧(7B/8)，应力下降0.01 MPa，降低10%；降温一侧(B/8)，应力下降0.03 MPa，降低30%.

混凝土箱梁边跨L/2位置处顶、底板按照新旧规范定义的梯度温度分别加载后的横向应力曲线如图14、图15所示.

由图14可以看出，《2004规范》、《2015规范》在边跨L/2位置顶板产生横向应力值差异很小，最大差值0.05 MPa，但较《1985规范》差异大，最大差值分别为7.06 MPa和7.01 MPa. 由图15可以看出《2004规范》较《1985规范》7B/8处应力值降低0.12 MPa；由于横向温度梯度作用，《2015规范》较《2004规范》升温一侧(7B/8)，应力升高0.05 MPa，升高26.3%；降温一侧(B/8)，应力下降0.06 MPa，降低31.6%.

混凝土箱梁边跨3L/4位置处顶、底板按照新旧规范定义的梯度温度分别加载后的横向应力曲线如图16、图17所示.

由图16可以看出，新旧规范加载梯度温度在边跨3L/4顶板处横向应力曲线分布规律同L/4处相同，且压应力最大值出现在3B/8、5B/8位置；《2004规范》、《2015规范》产生横向应力值差异较小，最大差值0.3 MPa，但较《1985规范》差异大，最大差值分别为7.21 MPa和7.19 MPa. 由图17可以看出《2004规范》较《1985规范》7B/8处应力值降低0.11 MPa；由于横向温度梯度作用，《2015规范》较《2004规范》升温一侧(7B/8)，应力降低0.01 MPa，降低26.3%；降温一侧(B/8)，应力下降0.04 MPa，降低200%.

从以上分析可以看出，由于《1985规范》对竖向温度梯度定义是顶板整体升温5 ℃，而《2004规范》和《2015规范》提出了更贴合实际的随高度逐渐递减的温度梯度(图2所示)，因此对于边跨顶板位置，按《1985规范》加载得到应力较《2004规范》和《2015规范》加载得到应力值偏小，按《1985规范》设计偏于不安全；对于宽箱梁而言，《2015规范》较《2004规范》增加了横向温度梯度，因此对于边跨底板，按《2015规范》加载得到压应力较《2004规范》加载增幅较大，而拉应力相差较小，因此对于宽箱梁，按照《2015规范》进行温度设计偏于安全.

3.2.2 中跨应力计算结果

混凝土箱梁中跨L/4、L/2、3L/4位置处顶、底板按照新旧规范定义的梯度温度分别加载后的横向应力曲线如图18～图23所示.

由图18、图20和图22可以看出，《2015规范》和《2004规范》在中跨顶板位置横向应力曲线基本吻合，差值很小；《2004规范》、《2015规范》较《1985规范》中跨L/2位置顶板横向应力最大差值分别为7.01 MPa和7.04 MPa.

由图19、图23可以看出，《2015规范》、《2004规范》与《1985规范》在中跨L/4及3L/4处底板横向应力曲线变化规律基本相同，由于横向温度梯度作用《2015规范》较《2004规范》应力值降低，最大降幅26.3%；由图21结果显示《2015规范》较《2004规范》在中跨L/2处底板升温侧(B7/8)应力值升高，增幅24%；降温侧(B/8)应力值降低，降幅28%.

从以上分析可以看出，对于中跨而言，按《1985规范》、《2004规范》、《2015规范》三部规范定义温度梯度进行加载得到顶、底板横向应力分布规律与边跨基本一致，此处不再赘述.

4 结论

按照《1985规范》、《2004规范》和《2015规范》三部规范中所定义的梯度温度荷载模式，计算并对比混凝土宽箱梁在不同荷载模式下的温度效应，得出以下结论：

1) 按新旧规范加载梯度温度在顶板处横向应力曲线关于B/2位置大体对称分布，《2015规范》和《2004规范》较《1985规范》横向压应力值增幅较大，

而《2015规范》与《2004规范》横向应力值基本一致，按《1985规范》进行竖向温度梯度设计偏于不安全.

2) 对于宽箱梁而言，《2015规范》较《2004规范》增加了横向温度梯度，按《2015规范》加载得到横向压应力较《2004规范》加载得到横向压应力增幅较大，而横向拉应力相差较小，因此对于宽箱梁而言，按照《2015规范》进行温度设计偏于安全，且更符合实际工况.

3) 本文仅针对连续梁桥进行了不同规范梯度温度下横向应力的研究，得出了更贴合实际的温度设计规范，对于大跨混合梁斜拉桥、悬索桥等复杂体系桥梁在不同梯度温度荷载加载下的应力分布规律还需要进一步研究.

[1] 周凯. 混凝土拱桥在新旧公路桥涵规范下荷载效应差异的探讨[D].南宁：广西大学,2013

[2] 魏霞,郭峰祥,徐向锋. 新旧规范梯度温度荷载对箱梁结构受力的影响[J]. 桥梁建设,2010(2):55-57

[3] 王林,项贻强,汪劲丰,王建江. 各国规范关于混凝土箱梁桥温度应力计算的分析与比较[J]. 公路,2004(6):76-79

[4] JTJ023—85,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]

[5] JTGD60—2004,公路桥梁设计通用规范[S]

[6] JTGD60—2015,公路桥梁设计通用规范[S]

[责任编辑：佟启巾]

征订启事

《北京建筑大学学报》是国内外公开发行的理工类综合性学术期刊，国际标准刊号：ISSN 1004-6011，国内统一刊号：CN10-1250/TU，国际标准大16开本，季刊，每逢季末出版，每期定价8.00元，全年定价32.00元。欲订阅者请通过天津全国非邮发报刊发行部办理，非邮发代号：9184，或者通过邮局直接汇款至本刊编辑部。

联系方式：

1.天津全国非邮发报刊发行部 地址：天津市大寺泉集北里别墅17号 邮政编码：300385 电话：022-23973378；022-23962479 网址：www.lhzd.com

2.《北京建筑大学学报》编辑部 地址：北京市西城区展览馆路1号 邮政编码：100044 电话：010-61209296； 010-68322098 E-mail:editor@bucea.edu.cn 联系人：佟启巾

Impact of Gradient Temperature Load in Old and New General Code for Design of Highway Bridge and Culverts on Box Girder

The temperature gradient in the 《Specification for Design of Reinforced Concrete and Prestressed Concrete Highway Bridges and Culverts JTJ023—1985》 is improved in 《General Code for Design of Highway Bridge and Culverts JTGD60—2004》. The regulations on the transverse temperature gradient effect are increased in 《General Code for Design of Highway Bridge and Culverts JTGD60—2015》. In order to study the effect of gradient temperature in new and old general code to box girder structure, in this paper, a three span continuous box girder is set as an example, using ANSYS13.0 finite element analysis software as computing tool to analyze temperature stress of the structure. Calculation results show that the regulations of the 2004 Standard and 2015 Standard defined as the gradient temperature on the structure are the same; The temperature effect of 2004 Standard and 2015 Standard has bigger difference than 1985 Standard; The effect on bottom of box girder is far different from the bottom of box girder between 2015 Standard and others.

new and old design specifications; concrete box girder; gradient temperature; temperature load; stress analysis

2016-04-06

国家青年自然科学基金项目(51308027)

张广达(1989—)，男，硕士研究生，研究方向： 桥梁与隧道工程.

1004-6011(2016)04-0006-07

U441+.5

A