大跨度混凝土连续箱梁桥温度效应研究

麦鑫浩

(中铁二十四局集团有限公司, 上海 200071)

桥梁在建造阶段和运营使用阶段承受复杂的时变温度作用。桥梁温度场与其所处的地理位置、环境温度、雨雪寒潮气候、太阳辐射等因素相关。一般情况下,桥梁主要经受年温度循环和日温度循环2种典型的温度周期作用。此外,伴随着寒潮、冷锋、降雪等特殊气候现象而急剧下降的温度也会明显影响桥梁的温度场。温度周期作用或温度骤然下降会导致桥梁产生温度效应,当桥梁结构附加变形被支座约束时,梁体会产生明显的约束应力,严重可导致桥面板开裂、支座抬升等病害甚至出现桥梁破坏[1-5]。

混凝土箱梁桥会因其自身导热系数较差而产生温度不均匀场[6-8],从而产生温度应力。研究表明,温度应力可能会接近甚至超出活载产生的应力[9-12]。在桥梁温度场及温度效应方面,国内外学者开展了大量的理论和试验研究,取得了诸多成果。YARNOLD等[13]基于温度监测数据,研究了大跨度桥梁的温度效应机理;周毅等[14]对上海长江大桥的温度进行了长期监测,研究了温度场作用对双塔斜拉桥挠度的影响;周浩等[15]研究了大跨度结合梁斜拉桥的温度场和温度效应;杜元等[16]采用协同克里金方法,研究了区域环境温度分布对装配式小箱梁桥温度梯度的影响。上述成果在研究大跨度桥梁的温度场或温度效应时,温度荷载模式多采用单一的现场监测或具体规范或理论得到的温度梯度模式。而我国幅员辽阔,各地气候差异显著,若采用相同的温度梯度模式模拟不同地区桥梁的温度场,可能会低估桥梁的温度效应[17]。因此,针对不同气候地区的桥梁,应确定符合实际工程的规范规定温度梯度模式,这对该地区桥梁温度效应研究十分重要。

本文以南通某大跨度混凝土箱梁桥为研究对象,对箱梁桥在现场监测及各国规范规定的温度梯度模式下的温度应力及竖向挠度分布规律开展研究,并对最不利竖向温差模式下混凝土箱梁截面的温度应力分布规律进行分析,以期探明大跨度混凝土箱梁桥施工及成桥阶段的温度场及温度效应。

1 工程概况

南通某新建高速铁路下行联络线工程中的大跨高铁混凝土连续箱梁桥,计算跨度为269.6 m,跨径布置为68.8 m+132 m+68.8 m,如图1所示,设计最大温差为20 ℃。主梁采用单箱单室等高度变截面结构形式,材料为C55混凝土。箱梁顶宽8.5 m,顶板厚度50 cm,底板厚50 cm～100 cm,按抛物线变化至中支点梁根部,中支点处加厚到100 cm;腹板厚50 cm～90 cm,按折线变化。全桥在端支点、中支点和主跨跨中处共设5个横隔板。主梁截面高度最小为5.6 m,最大为9.6 m,截面宽度保持不变,均为8.5 m。

单位:m

主梁采用挂篮悬臂施工:1) 先对墩梁进行临时固结,墩顶和梁体的接触位置始终处于固结状态;2) 待边跨合龙后进行一次体系转换,形成单悬臂状态;3) 待主跨合龙后进行第二次体系转换,形成连续梁。

2 混凝土箱梁竖向温度梯度

2.1 温度监测方案

在2022年7月至12月期间对箱梁截面温度进行连续监测,监测断面取中支点截面。温度传感器采用半导体温度传感器,采样周期为10 min。监测截面共布置32个测点,如图2所示。

单位:cm

2.2 竖向温度梯度

在日照作用下,考虑到南北走向桥梁在顺桥向上的温度分布较为均匀,且箱梁截面的最大竖向温差均出现在每天的14:00左右,故本文仅考虑箱梁截面的竖向温度梯度。实际工程中常采用式(1)来描述铁路混凝土箱梁的竖向温度梯度。

T(x)=A0e-Cxx

(1)

式中:A0为温度变幅;Cx为试验参数。

采用式(1)所示的温度梯度模式,基于最小二乘法原理对箱梁截面温度现场监测数据进行拟合分析。拟合结果表明,混凝土箱梁的实际竖向温度梯度模式为T(x)=19.87e-4.98x。与此同时,分别采用我国《铁路桥涵混凝土结构设计规范》(TB 10092—2017)[18](简称中国铁路桥涵规范)、美国桥梁设计规范[19](简称美国桥梁规范)、英国桥梁设计规范[20](简称英国桥梁规范)和新西兰桥梁设计规范[21](简称新西兰桥梁规范)规定的温度梯度模式,拟合得到对应各国规范的箱梁截面竖向温度梯度模式,如图3所示。由图3可知,中国铁路桥涵规范规定的箱梁截面竖向温度梯度模式最贴合本桥现场监测温度梯度模式。

图3 现场监测及各国规范得到的箱梁竖向温度梯度模式

3 各温度梯度模式下箱梁桥温度效应

3.1 数值模型

利用Midas Civil有限元结构计算软件,考虑最大悬臂施工状态和成桥状态,建立结构数值模型。建模分析时,温度效应仅考虑箱梁竖向温度梯度对箱梁桥上部结构的影响。箱梁竖向温度梯度模式分别采用图3所示的5种竖向温度梯度模式。此外,还考虑结构自重、预应力荷载、挂篮荷载和混凝土湿重。

3.2 最大悬臂状态下中支点截面温度应力

最大悬臂阶段在不同温度梯度模式下,中支点截面的顶板应力值如表1所示。需要说明的是,本文统一规定,拉应力为正值,压应力为负值。分析表1可知,最大悬臂施工阶段,新西兰桥梁规范规定的温度梯度模式下顶板应力明显较大,在各国规范规定的温度梯度模式下,中国铁路桥涵规范得到的顶板应力与现场监测温度梯度模式下的顶板应力最为吻合,英国桥梁规范接近。

表1 最大悬臂阶段不同温度梯度模式下中支点截面顶板应力值 MPa

3.3 成桥状态下箱梁桥温度应力纵向分布

在成桥状态下,提取不同温度梯度模式下混凝土箱梁桥的温度应力沿纵向分布规律,如图4所示。分析图4可知,同一竖向温度梯度模式下,箱梁上缘受压,下缘受拉,边跨端部部分受压。英国桥梁规范考虑了底板竖向温差后,其温度梯度模式对箱梁底板下缘的温度应力影响最小。中国铁路桥涵规范规定的温度梯度模式对箱梁的应力影响较小,且该模式下的箱梁纵向应力分布与现场监测温度梯度下的箱梁纵向应力分布最为吻合。

(a) 上缘应力

3.4 成桥状态下箱梁桥最大竖向挠度分布

在成桥状态下,提取不同温度梯度模式下混凝土箱梁桥的竖向挠度分布情况,如图5所示。分析图5可知,混凝土箱梁桥竖向挠度随着截面与支座的距离增加而增大,主跨从距中支点50 m开始箱梁桥悬臂端的竖向挠度呈明显变大趋势,悬臂端挠度最大。其中,英国桥梁规范规定的温度梯度模式下箱梁桥竖向挠度变化最小,而新西兰桥梁规范规定的温度梯度模式下箱梁桥竖向挠度变化最大。在不同温度梯度模式下,箱梁桥的竖向挠度相差较明显,中国铁路桥涵规范规定的温度梯度模式下,箱梁桥竖向挠度与现场监测温度梯度模式下箱梁桥竖向挠度完全吻合。

图5 不同温度梯度下桥梁竖向挠度分布曲线

4 混凝土箱梁截面温度应力分布

4.1 最大温度应力

根据桥址区的地理位置确定出太阳辐射强度最大值发生在每年的7月,且箱梁截面的最大竖向温差均出现在每天的14:00左右。为此,本文提取7月25日14:00时中支点截面和主跨跨中截面的温度监测数据,并将该时间的温度场边界条件作用在箱梁有限元模型上,计算分析各截面的箱梁顶板、底板和腹板在最不利温差下的温度应力分布。提取箱梁截面的最大横向和竖向温度应力值,结果如表2所示。分析表2可知,混凝土箱梁的横向温度应力主要集中在箱梁顶板和底板部位,竖向温度应力主要集中在箱梁腹板部位,且均为压应力。

表2 箱梁截面最大横向和竖向温度应力值 MPa

4.2 横向温度应力

混凝土箱梁桥各截面的箱梁顶板和底板的横向温度应力分布情况如图6所示。分析图6可知,由于支点截面和跨中截面的顶板和底板厚度一致,各截面顶板上缘和底板下缘的横向温度应力分布基本一致,均随着距外缘距离的增加呈先增后减的规律,其中顶板和底板中线横向温度应力最大。由于不同截面顶板下缘的横向宽度不同,顶板下缘温度应力分布有所不同,且跨中截面顶板下缘的横向温度应力较支点截面的横向温度应力稍大。随着距腹板内侧距离的增加,支点截面底板上缘横向温度应力先减小后增大,跨中截面底板上缘横向温度应力先增大后减小,且跨中截面底板上缘横向温度应力变幅较小。

(a) 顶板上缘温度应力

4.3 竖向温度应力

混凝土箱梁桥各截面的箱梁腹板外缘和内缘的竖向温度应力分布如图7所示。分析图7可知,混凝土箱梁不同截面的腹板外缘和内缘竖向温度应力分布趋势基本一致,均随着距底板距离的增加呈先增大后减小的规律,其中腹板中部竖向温度应力最大;腹板内缘竖向温度应力呈先减小后增大再减小的变化趋势,其中腹板底部竖向温度应力最大,顶部温度应力最小。中支点截面腹板外缘和内缘竖向温度应力略大于主跨跨中截面竖向温度应力。

(a) 腹板外缘温度应力

5 结论

本文以南通某大跨度混凝土箱梁桥为研究对象,研究了箱梁桥在现场监测及各国规范规定的温度梯度模式下的温度应力及竖向挠度分布规律,分析了现场监测得到的最不利竖向温差模式下混凝土箱梁截面的横向及竖向温度应力分布规律,并得到如下主要结论:

1) 综合分析各国规范下混凝土箱梁桥在最大悬臂状态下中支点截面的顶板温度应力、在成桥状态下桥梁温度应力及竖向挠度纵向分布规律,中国铁路桥涵规范规定的温度梯度模式最能准确模拟本文依托桥梁的现场监测温度梯度模式及其作用下的桥梁各阶段温度应力。

2) 混凝土箱梁的顶板和底板部位主要承受横向温度应力,不同箱梁截面顶板上缘和底板下缘横向温度应力最大值位于板中线位置,跨中截面顶板下缘横向温度应力较支点截面横向温度应力稍大,跨中截面底板上缘横向温度应力变化幅度较小。

3) 混凝土箱梁的腹板部位主要承受竖向温度应力,腹板外缘竖向温度应力最大值位于板中部位置,腹板内缘竖向温度应力最大值位于板底部位置,最小值位于板顶部位置,支点截面腹板外缘和内缘竖向温度应力略大于跨中截面竖向温度应力。