梯度温度作用下装配式混凝土箱梁温度应力分析

杜 元 王璐华 范旭涛 雷 笑

(1.江苏高速公路工程养护技术有限公司 南京 211100； 2.河海大学土木与交通学院 南京 210098)

装配式混凝土箱梁桥是指采用预制单片预应力混凝土箱梁，现场拼装、现场浇筑预制箱梁翼缘间的连接缝(湿接缝)，与翼缘形成一体的装配式桥梁结构。一般在支座处(梁端)现浇横隔梁，少数较大跨径在跨中加设内横梁。与装配式后张法预应力混凝土T梁相比，具有建筑高度低、抗扭刚度大、活载横向分配均匀等受力性能优点，可显著节约钢材，混凝土用量也有所减少。装配式混凝土箱梁可通过工厂预制、现场拼装加快施工速度，保证桥梁结构的质量。

单跨为25 m的装配式混凝土箱梁标准断面形式见图1。

图1 装配式混凝土箱梁桥断面形式(单位：cm)

装配式混凝土箱梁结构在自然环境中，受温度作用影响，沿结构高度方向形成非线性的温差分布，即梯度温度作用[1-3]。而连续混凝土装配式混凝土箱梁在空间上属于多次超静定结构，在温度作用下产生自应力和次内力。以往多座装配式混凝土箱梁桥由于外荷载和温度作用引起梁体和横隔板出现混凝土开裂、挠度增大等多种病害。温度作用对梁体产生的病害轻则影响结构的耐久性，重则危及结构安全性能[4-5]。故有必要研究温度作用对装配式连续混凝土箱梁受力性能的影响，明确受力不利部位并预测温度病害发生位置。设计中温度作用常简化为梯度温度模式进行计算，不同设计规范推荐的温度模式不尽相同，导致相应的结构温度效应往往产生较大差别。因此有必要针对不同国家设计规范的温度模式对装配式混凝土箱梁温度效应的影响开展有限元研究[6-7]。

本研究针对单跨25 m的五跨一联连续装配式混凝土箱梁桥建立三维有限元模型。依据不同国家设计规范推荐的温度模型，通过热分析得出相应的温度场。利用热-结构间接耦合功能开展结构分析，研究温度作用引起的装配式混凝土箱梁桥温度效应。

1 有限元模型的建立

采用ANSYS软件建立单跨跨径为25 m的五箱五跨连续装配式混凝土箱梁桥实体有限元模型，考虑计算规模限制和计算成本，依据对称性选取1/4结构进行有限元分析。有限元模型整体及局部细节见图2。模型采用实体单元，单元形状为六面体。箱梁截面单元尺寸控制在10 cm以内，主梁纵向单元尺寸基本为50 cm。有限元模型的单元数量为57 427个，节点数量为77 650个。

图2 装配式混凝土箱梁桥有限元模型

主梁、横隔板及现浇部分采用C50混凝土浇筑，箱梁顶部现浇6 cm厚的C40混凝土调平层，桥面铺装层为10 cm厚的沥青混凝土。各种材料的特性及热物理参数取值见表1。

表1 材料特性计算参数

1.1 热分析

根据国内外不同规范规定的梯度温度，通过有限元模型热分析，得出装配式混凝土箱梁温度场分布。混凝土箱梁采用热分析单元，热分析时忽略预应力钢束，仅考虑混凝土实体结构。在分析中，分别采用中国[8]、美国、英国、新西兰，以及日本5个国家的桥梁设计规范所规定的简化温度梯度模式进行[9-12]。

根据不同规范的温度模式，在温度梯度曲线折点处施加相应的温度边界条件，进行有限元模型热分析。使用ANSYS热分析得出有限元模型温度场。各国规范中温度场分布见图3。

图3 温度梯度沿梁高分布曲线

不同规范的梯度温度分布模式有所差别，具体表现为箱梁顶部至底部的温度分布形式，有直线形、双折线形和幂函数曲线形等，以及箱梁底部是否存在梯度温度等，模型具体参数见表2。依据设计规范施加温度荷载时，宜选取与当地环境最接近的规范温度模式，对结构进行温度效应分析。

表2 温度梯度计算参数

1.2 结构分析

利用热-结构耦合功能分析装配式混凝土箱梁桥温度场并进行求解[13]。混凝土箱梁、横隔板及桥面铺装层等实体构件采用实体单元[14]。同时，在模型每跨箱梁支座位置施加五跨一联的连续梁边界条件。预制箱梁与现浇混凝土、横隔板及桥面铺装等构件采用共用节点耦合自由度。模型计算时不考虑结构自重和预应力，仅研究不同规范温度模式对装配式混凝土箱梁温度效应的影响。将热分析得出的节点温度作为载荷施加到结构分析中，开展结构温度效应分析。

2 温度效应结果分析

2.1 主梁挠度

梯度温度作用使连续箱梁在边跨和中跨出现上挠，次边跨出现下挠。为定量研究不同规范温度模式对主梁变形的影响，沿梁跨方向提取主梁挠度，挠度分布曲线见图4。

图4 主梁挠度分布曲线

由图4可见，边跨部分，挠度分布由大到小的工况分别为新西兰规范，中、美规范，英国规范，日本规范，相应的挠度峰值为1.98，1.84，1.44，0.88 mm，最大值是最小值的2.25倍。次边跨部分，各工况出现下挠，但挠度较小，由大到小的工况分别为新西兰规范，中、美规范，英国规范，日本规范，相应的挠度峰值为0.51，0.44，0.32，0.20 mm，挠度最大值是最小值的2.55倍。中跨部分出现上挠，但挠度小于边跨，挠度峰值由大到小的工况分别为中、美规范，新西兰规范，英国规范，日本规范，最大值是最小值的1.95倍。由此可见，不同规范的温度模式对主梁变形影响较大。

2.2 纵向应力分布

表3为关键截面各部位纵向应力分布表。

表3 关键截面纵向应力分布 MPa

由表3可见，不同规范工况下的应力分布有差别。在边跨跨中截面，中、美规范工况在箱梁梗腋处拉应力最高，约为2 MPa。英国规范工况在箱梁梗腋处除局部应力集中外，应力大多不超过1.3 MPa。新西兰规范工况在箱梁梗腋处和边梁腹板部分的应力水平为1～1.5 MPa。日本规范工况在箱梁梗腋处应力集中显著，腹板部分最大拉应力不超过1.2 MPa。由此可见，不同规范温度模式对边跨跨中截面纵向应力分布有影响。在中跨跨中截面，中、美规范工况在箱梁梗腋处拉应力较高，最大拉应力约为1.4 MPa。英国规范工况的应力分布与中、美规范工况相似，但在底板应力分布有差别，应力水平低于中、美规范工况。新西兰规范工况在箱梁梗腋处及腹板部分出现拉应力，最大拉应力约为1.7 MPa。日本规范工况在箱梁腹板及梗腋处出现拉应力，最大拉应力不超过0.9 MPa。

2.3 横向应力分布

表4为关键截面各部位横向应力分布表。

表4 关键截面横向应力分布 MPa

由表4可见，不同规范工况下的应力分布有差别。在边跨跨中截面，中、美规范工况在混凝土桥面板出现拉应力，桥面板湿接缝区域拉应力较高，最大拉应力约为1.5 MPa。英国规范工况下，混凝土桥面板局部拉应力高于中、美规范工况，拉应力在1～1.7 MPa的分布面积亦较大。新西兰规范工况在桥面板底部拉应力较高，最大拉应力超过1.1 MPa，最高拉应力值及分布面积较前2种工况有差别。日本规范工况应力水平整体较小，在桥面板及腹板部分出现拉应力。在中跨跨中截面，中、美规范工况下混凝土桥面板出现拉应力，最大拉应力分布在中梁与次边梁的桥面板底部，最大拉应力约为1.6 MPa。英国规范工况下，截面应力分布趋势与中、美规范工况相似，但最大拉应力高于前者，最大拉应力值约为1.8 MPa。新西兰规范工况下，箱梁桥面板部分区域受拉，最大拉应力超过1.1 MPa。日本规范工况的应力水平整体较小。

2.4 腹板主应力分布

图5为4种不同温度梯度规范模式下箱梁腹板第一主应力分布云图。由图5可见，各国规范工况在边跨的主应力分布有差别。边跨最大主拉应力分布在次边跨支点附近，次边跨出现全桥最大主拉应力，处于中跨支点附近。中、美规范工况下主拉应力最大超过1.8 MPa，边支点附近也有较大的拉应力分布。新西兰规范工况下的最大主拉应力为2 MPa，其余2种规范工况最大主拉应力不超过1.2 MPa。中跨部分，主拉应力水平较边跨和次边跨要小，4种规范工况在中跨的腹板主应力分布有差别。由此可见，不同规范温度模式对腹板主应力分布有影响。

图5 箱梁腹板第一主应力分布(单位：MPa)

3 结语

通过对单跨为25 m的五跨一联连续装配式混凝土箱梁桥温度场及温度作用效应进行实体有限元分析，得出如下结论。

1) 各国规范温度模式不尽相同，其对装配式混凝土箱梁的温度效应亦有所差别。分析温度效应时，宜尽量选取与当地环境相近的温度模式，依据实测温度数据加以分析。

2) 4种规范温度作用工况下，主梁边跨挠度峰值最大相差125%，次边跨为155%、中跨为95%，不同规范的温度模式对装配式混凝土箱梁变形影响较大。

3) 不同规范温度作用工况下，箱梁在每跨的支点和跨中截面的应力大小、应力分布情况有较大差别，综合而言，纵向应力最大值出现在箱梁梗腋处，约为2 MPa；横向应力最大值出现在混凝土桥面板内，约为1.5 MPa；全桥最大主拉应力出现在次边跨，约为2.5 MPa。日本规范温度工况与其他规范差别较大。