环境温度作用对箱梁顶板横向受力的影响研究

李波

摘要：文章研究了常见的几种环境温度作用对箱梁桥顶板横向受力的影响，主要包括竖向温度梯度（施工期和运营期）、双向温度梯度、箱室内外温差效应等。通过理论分析和实桥跟踪观测表明：竖向温度梯度效应影响较为明显，双向温度梯度会加强这一影响;箱室内外负温差将对顶板下缘产生拉应力，“施工期”竖向温度梯度效应最为明显，设计施工中应予以关注。

关键词：桥梁工程;箱梁;溫度作用;横向受力;实桥观测

中图分类号：U448.213 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.08.021

文章编号：1673-4874（2019）08-0076-04

0引言

顶板纵向开裂是悬臂浇筑施工预应力混凝土箱梁桥中较为普遍的病害之一，即使在设置横向预应力的箱梁中，纵向开裂病害仍然高达70%。文献从横向预应力效应、温度效应、混凝土收缩效应等多个方面对纵向裂缝成因进行了研究和分析，指出了温度效应对箱梁横向受力的显著影响。同样，关于箱梁桥环境温差效应，国内众多学者_6卅也进行了大量的研究，提出了适合箱梁桥的竖向温度梯度模式，并与《公路桥涵设计通用规范》中给出的温度梯度模式进行了对比分析。

本文研究不再对温度梯度模式的取值进行深入探讨，直接参照选用《公路桥涵设计通用规范》中给定的竖向温度梯度模式进行分析，并结合实桥观测结果就箱梁桥顶板纵向裂缝与环境温度作用的关系进行研究。

1温度作用选取

如引言中所述，箱梁的竖向温度梯度作用在温度作用对混凝土箱梁的影响方面占主导地位，因此国内外桥梁设计规范在考虑箱梁结构的温度作用时，基本只考虑箱梁的竖向温度梯度，把三维的箱梁温度场转化为一维问题。但是采用不同的温度作用模式计算得到的温度应力相差很大。本文的研究内容主要包括：竖向温度梯度对箱梁顶板横向应力的影响分析（包括施工期和运营期）;双向温度梯度对顶板横向应力的影响分析;箱梁室内外温差温度应力的影响分析。具体工况如表1所示。

几个温度梯度模式的选取主要考虑以下几点：

（1）10cm沥青混凝土铺装结构类型的竖向温度模式直接选用JTG D60-2015中相应的模式。

（2）在缺乏对公路桥梁横向温差模式相关规定的情况下，参照《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土设计规范》（TB10002.3-2005）中的梯度温度模式。一般认为，公路桥涵规范未考虑横向温度梯度对箱梁结构的影响，认为公路桥梁有较长的悬臂端，两侧腹板受太阳直接辐射较少。实际上，桥梁横向温差取决于太阳和桥梁的倾角，当桥梁为东西走向时，箱梁两个腹板在同一时间只有一个受到太阳辐射，此时横向温差对箱梁应力的影响不可忽略。铁路桥规中箱梁按梁高、梁宽方向的温差曲线按照下式计算：

（3）对于混凝土箱梁，由于箱室内空气处于封闭状态，其气温相对比较稳定。当外界气温变化时，箱梁室内外会产生温差效应。东南大学叶见曙教授以及湖南大学方志教授等学者通过对实桥的温度观测，证实了这种现象。笔者对主跨65m的变截面连续梁桥观测数据显示，测试时间段内箱室内外温差最大约为±6℃。见图1。

（4）我国规范中规定的温度梯度荷载通常用于正常使用阶段的受力分析，而在桥梁建设过程中，往往存在不利于顶板横向受力的阶段，例如我们将大跨连续箱梁桥合龙段合龙后而桥面铺装未摊铺的阶段定义为“施工期”。在此阶段，因桥面铺装未进行摊铺，梁体呈裸梁状态，环境温度作用更为显著，有必要针对这一阶段的温度梯度效应进行分析。文献提出，施工期箱梁竖向温度梯度效应远大于沥青混凝土铺装摊铺后，并给出了部分实测数据，但既有研究并未对这一工况进行深入研究，提出更具有普适性的温度模式。因此，本文对于这一工况温度模式的选择采用JTG D60-2015中水泥混凝土铺装结构类型下的温度模式。

2计算分析结果

以某常见三车道高速公路主跨60m连续箱梁桥为依托工程进行计算。箱梁宽13.65m，箱梁顶板厚度为0.28m，顶板内按间距50cm设置3-S15.2扁锚体系横向预应力钢束。底板厚度按2次抛物线，由跨中的0.3m变化至距O号块中心线3.0m处的0.6m。箱梁腹板厚度分别为：1～3号梁段采用0.75m，5～6号梁段采用0.45m，4号梁段由0。75m直线渐变到0.45m。

利用ANSYS软件建立箱梁的平面框架模型，通过施加表1中不同温度梯度模式作用，并提取箱梁典型断面顶板下缘横向应力数值进行比较分析。

2.1单向温度梯度

按照表1中所列10cm沥青混凝土铺装结构类型模式下的温度梯度模式（温度基数14℃）进行计算，计算结果如图2所示。由图2可以发现：顶板最大横向应力位于顶板中央，在梯度升温模式下，顶板下缘表现为拉应力，量值水平约为3.5MPa;梯度降温模式作用下，顶板下缘为压应力，量值水平较低。常规3-Ф。15.2横向预应力作用下形成下缘压应力为4.5MPa左右，可见温度梯度作用对箱梁顶板横向受力影响较大。

2.2双向温度梯度

考虑到双向温度梯度作用下温度荷载的不对称性，对模型施加表1中所示双向温度梯度，计算结果如图3所示。由图3可以发现：在双向温度梯度模式下，箱梁顶板下缘出现较大的横向拉应力，接受日光照射的腹板内侧出现横向拉应力，但数值较小。在双向温度梯度模式下，跨中截面顶板下缘最大横向拉应力约为4.0MPa，单向温度梯度模式下约为3.5MPa，跨中截面最大横向拉应力提高约15%。

2.3箱室内外温差效应

按照箱室内外温差5℃、8℃分析箱室内外温差效应的影响程度，计算结果如图4所示。由图4可以发现：当室内外温差为-5℃（即室内温度低于室外温度）时，箱梁顶板下缘会出现横向拉应力，量值水平为2.5MPa左右;当室内外温差为-8℃时，量值水平为4.0MPa左右。即箱室内部温度低于外部温度时，温差每增大1℃，顶板下缘横向拉应力提高约0.5MPa。

2.4施工期温度效应

笔者曾对10余座连续梁桥顶板纵向裂缝进行跟踪观测，从箱梁悬浇施工期一直到通车后一段时间进行连续跟踪观测。从监测结果看，箱梁顶板裂縫密集出现的时间段落多数是在桥梁合龙后，而正式通车后箱梁顶板裂缝并未见显著新增或扩展。笔者就这一情况进行了思考：一般大跨径桥梁作为工程项目的节点性工程，往往会提前贯通，但由于受全线工程进度的影响，合龙后桥面铺装往往长时间不进行摊铺，此时裸梁在夏季将受到太阳直射，其势必将产生较强的温度梯度效应。

如前所述，在缺少大量实测数据和普适性温度模式的情况下，本文采用JTG 1360-2015中水泥混凝土铺装结构类型温度模式进行了计算分析，结果如图5所示。施工期阶段温度梯度作用下，箱梁典型截面顶板下缘横向拉应力为4。9MPa，远大于运营期温度梯度作用时的3.5MPa。这里需要说明的是：规范中虽然考虑了水平混凝土桥面铺装情况下的温度梯度，但往往“施工期”箱梁完全处于裸梁状态，其受日照梯度作用可能更加显著。

3裂缝观测结果

本节列出笔者跟踪观测的一座连续梁桥顶板纵向裂缝发展情况，主要裂缝数量如表2所示，可以发现：当主桥施工完成，连续箱梁纵向体系形成后，虽然桥梁尚未通车，但在裸梁状态情况下，经过夏季高温的影响，箱梁顶板纵向裂缝数量仍然有较大幅度增长，与之前计算结果较为吻合。

4结语

通过对既有规范和资料中几种温度作用模式对箱梁横向受力影响的分析，形成主要结论和建议如下：

（1）箱梁竖向梯度温度对箱梁顶板横向受力影响较大，背景桥梁箱梁顶板横向拉应力最大值约为3.5MPa左右，量值明显，在箱梁桥横向设计时应给予关注。

（2）双向温度梯度与单向温度梯度产生的横向应力在顶板的分布规律大致相同。但在双向温度梯度作用下，横向拉应力大小相比于单向温度梯度提高约15%，箱梁横向受力更为不利，在对特定位置桥梁箱梁横向设计计算时应予以考虑。

（3）室内外温差为负温差情况下，顶板下缘出现横向拉应力;最不利情况下，温差每增加1℃，顶板下缘横向拉应力提高约O。5MPa。

（4）“施工期”温度梯度对箱梁横向受力影响较大，温度梯度会在顶板下缘产生约5MPa的横向拉应力，量值较一般设计时考虑的运营期温度梯度增加明显。但“施工期”温度梯度模式中温度基数25℃是指一年中存在的最大温差，而施工期时间相对运营期时间较短。根据施工季节的不同，施工期的温度梯度作用会存在很大的变异性，这与箱梁顶板纵向裂缝产生的不确定性特征较为吻合。

（5）设计时应对“施工期”温度梯度作用对箱梁横向受力的影响予以考虑，在桥梁施工过程中针对高温季节长时间裸梁这一过程也可以采用临时隔热措施以减弱日照温差影响。