各国规范温度梯度荷载作用下对混凝土高墩偏位值的影响

马 成 时小兵 陈家龙

(1.中国建筑第四工程局有限公司珠海分公司，广东 珠海 519000； 2.重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

0 引言

随着我国科技与经济的发展，桥梁建筑技术不断提高，以薄壁、大跨、轻型为特点现代桥梁极好的适应了我国桥梁的发展形势。薄壁空心高墩改变了以往粗、大、实的墩体结构，满足桥梁各种造型需要，已成为现代桥梁的主流墩体。墩身高度的增加使得施工期间产生的误差也将增大，从而使高墩垂直度测量控制变得更加困难。大量研究表明，温度荷载、风荷载以及施工偏载等都将影响施工中超高墩的垂直度，其中，温度变化中的日照温差是引起超高墩偏位的最大因素之一[1]。

文献[1]对中、英、美3国规范的温度梯度效应进行比较，分析其在考虑分项系数后的应力贡献。文献[2]对中国规范与英国BS5400规范从体系温差、截面温度梯度进行对比分析，得到T型截面正温度梯度的自应力较大，在桥梁设计中应慎重选择截面温度梯度。文献[3]详细介绍了英国BS5400温度规范、美国AASHTO规范、德国DIN101规范、新西兰桥梁设计规范、中国公路与铁路桥梁设计规范。建立了各国规范关于竖向温度梯度规定的对比。得出了在不同规范温度梯度作用下，各国规范对混凝土箱梁应力的影响。文献[4]基于各国家地区桥梁规范提出了箱梁梯度温度效应的模拟方法。文献[5]按照《1985规范》《2004规范》《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。得出按照《2015规范》进行温度设计偏于安全，且更符合实际工况。文献[6]对国内外规范的混凝土桥梁截面竖向温度梯度模式进行比较，得出了在正温差梯度模式下，新西兰桥梁规范NZBW—2003模式的温度作用效应较大，负温度梯度模式下，欧洲规范EN1991—1—5模式的温度自应力较大，美国规范AASHTO—2005和我国公路规范JTG D60—2004较小；而在挠度方面，我国公路规范JTG D60—2004得到较大值，欧洲规范EN1991—1—5和美国规范AASHTO—2005则较小。

通过上述分析可发现，国内外学者对温度作用下的桥梁结构响应做出了大量研究，但主要集中在考虑温度对混凝土箱梁的影响，对温度荷载作用下各国规范对高墩偏位值的影响分析较少，同时国内外桥梁设计规范对混凝土桥梁结构的温度荷载的规定，仅仅只是对混凝土空心截面梁有所规定，而对于混凝土薄壁空心桥墩没有具体的取值。基于此本文比较各国规范温度梯度荷载作用下对混凝土高墩偏位值的影响。

1 各国规范对箱梁竖向温度梯度的规定

1.1 英国BS5400规范

英国规范对混凝土桥梁的温度梯度的规定如图1所示。规范综合考虑了大气温度、大气折射率、太阳辐射、逆辐射等多种因素对混凝土升温的影响。

1.2 中国铁路桥梁设计规范

中国铁路规范是以刘兴发提出的指数分布形式，参照桥面类型，箱梁方向，规定不同的h3温差曲线参数，如图2所示。

1.3 新西兰桥梁设计规范

新西兰桥梁设计规范定义混凝土在距外表面1 200 mm内的温度梯度。以5次幂函数的抛物线变化。考虑桥面沥青铺装层对初始温差的影响，如图3所示。

2 各国规范拟合下的温度场分布公式

2.1 桥梁概况及温度测点布设

某特大桥全长412 m，主桥上部结构为106 m+200 m+106 m的三跨连续钢构桥，其中小里程方向的墩为147 m超高双肢薄壁空心墩，墩身横桥向宽8.5 m，顺桥向宽3.5 m，双肢间距为7.0 m。为验证混凝土箱梁升温曲线在混凝土高墩中的适用性，得到混凝土高墩温度场最不利分布。在顺桥向与横桥向方向距离基础15 m布置48个温度测点，具体的布置方式如图4所示。

2.2 实测温度场数据分析及拟合

利用埋设的温度测点，对施工过程中的日照温差进行了长达数月的监测，限于篇幅，仅给出某晴天(9月30日)下各测点的实测温度值如图5所示。

国内几种温度规范仅对箱梁的温度梯度有所规定，而对桥墩的温度场没有具体取值。混凝土升温的温度梯度模式中，新西兰规范以幂函数、中国桥梁规范以e为底的指数函数、英美规范按照折线函数作为升温函数。为对比各国温度规范对混凝土桥梁偏位值影响。随机选取4个晴天内向阳侧桥墩内、外温差最大时刻的相对温度列于表1，其中基准温度以墩身内壁板的温度为准。

表1 向阳侧沿壁厚方向温度观测数据表

将实测数据按照英国桥梁规范、新西兰桥梁规范与中国铁路桥梁规范拟合。

按照新西兰桥梁设计规范规定，混凝土高墩温度梯度是以5次幂函数为升温梯度。1 200 mm之后混凝土温度不发生改变。T0取距外表0 m实测温度数据平均值。

T0=11.2(y/1 200)5。

按照中国铁路规范采用指数曲线拟合薄壁空心墩沿壁厚方向的温度分布：

Ty=T0ye-αy

(1)

运用最小二乘法理论拟合日照温度梯度曲线，得到4个观测日的最大温差T0y和系数a，如表2所示。

表2 不同测量时期下指数分布系数

表3 不同工况下墩顶位移值 mm

由于上述四个观测日温差数据的拟合系数a不相同，取平均值拟合出沿壁厚方向的温度梯度函数。

Ty=Toye-7.2y。

3 薄壁空心超高墩日照温差位移计算

有限元模型建立。采用ANSYS有限元软件建立超高墩实体模型，混凝土桥墩采用Solid45号单元模拟，截面尺寸按大桥施工图取值，建立的有限元模型截面如图6所示。

为对比不同桥涵规范规定的温度梯度对高墩垂直度产生的效应。模型温差按照三种工况进行加载。工况一考虑顺桥向方向受日照辐射。工况二考虑横桥向方向受日照辐射。工况三考虑横桥向与顺桥向方向同时受日照辐射。三种工况下日照辐射情况如图7所示。

通过拟合出的三种温差曲线模式和实测的温度荷载进行加载，求得三种工况作用下薄壁空心超高墩墩顶日照温差位移值，各工况有限元计算偏位值如表3所示。

分析表3数据可以得出：

1)在高墩顺桥向或横桥向单侧受到日照辐射时。按照英国桥梁规范BS5400加载得到墩顶位移值与实测温度加载得到的墩顶位移值较接近。但是以英国桥梁规范计算的墩顶位移值比实测温度加载下的位移值小。

2)中国桥梁规范与新西兰桥梁设计规范加载得到的墩顶位移值较接近。但两者相较于实测温度加载下的位移值都偏大，中国规范更加保守。

4 结论与展望

1)通过对比分析，我国现行中国JTJ D60—2015公路桥涵设计规范规定的温度梯度对高墩垂直度的影响效应较大，计算结果偏保守。中国规范对温度场的分布没有考虑地域差异，建议将我国划分日照辐射区，设定不同的指数系数区，更合理的拟合高墩温度场分布曲线。

2)各国桥涵设计规范考虑不同的影响因子，根据本地区的地理位置、太阳辐射角度、太阳辐射强度、对流系数，绘制不同的混凝土升温曲线。太阳辐射产生的温度效应，局部应力不平衡，在桥梁设计与建设中不可忽视。