由于连续刚构桥具有造价低、跨越能力强、施工场地受限小的特点,在我国西部山岭地区广泛得到应用。经过多年的技术革新及发展,连续刚构桥施工在技术上有了质的发展变化,结构的理论研究也更加完善。对于像连续刚构桥这种超静定体系而言,温度变化将会对主梁的线形和应力产生影响,极具破坏性。如美国Champigny桥、新西兰新市场高架桥、德国Jagst桥都因为温度应力而发生主梁破坏的情况^[1] 。在国内,九江大桥引桥简支箱梁、通惠河连续箱梁桥及漓江二桥箱梁等桥都在温度梯度荷载和恒荷载的双重作用下,主梁发生开裂破坏现象^[2] 。基于上述事故,学者们很早以前即开始研究温度应力对桥梁的影响。文献[3] 得出了通过对降低箱梁混凝土的温度可以改善主梁应力的结论。文献[4] 结合实际案例计算混凝土箱梁结构的温度场,得到了一些关于混凝土箱梁桥的结果。文献[5] 提出了在连续刚构桥监控中必须充分考虑温度应力对桥梁产生的影响的结论。

本文主要是以MIDAS有限元分析软件为基础,结合工程实例,只考虑温度作用,分析相应的桥梁线形和应力。主要分析的因素有:整体升温、整体降温、正温度梯度和负温度梯度。所有因素均根据设计文件给出。结果表明,主梁在温度梯度荷载的作用下可产生较大温度拉应力,同时所产生的变形可为连续刚构桥合龙段施工提供借鉴依据。

连续刚构桥因体系结构特征同时具备T构和连续梁的优点:跨越能力大、施工可行性高、适用性广、施工周期短等优点。连续刚构桥的墩梁固结体系一方面免去了大型支座的安装及更换,降低成本,另一方面柔性墩的偏位可改善桥梁受温度变化引起的位移。根据弯矩分布图而来的变截面设计,既可减轻自重提高跨越能力,又可降低梁截面高度。也正是因为连续刚构桥箱梁与桥墩整体结合,一旦受混凝土结构的收缩徐变、温差变化影响,连续刚构结构体系将产生次内力对结构不利。因此,本文将展开关于温度变化对连续刚构桥的受力影响。

桥梁结构的温度应力大体可分为内约束应力和外约束应力。其产生机理主要是由于桥梁长期受外界因素条件、温度变化、日照、风雪等的影响,引起温度场的不均匀分布^[6] 。内约束应力是构件内部纤维的变形受到约束而产生的,一般发生在温度梯度变化的情况下。外约束应力是构件整体变形受到约束而产生的,一般发生在温度整体变化的情况下。对于超静定结构的连续刚构桥而言:在整体温度变化的条件下,主要受到外部约束温度应力的影响。但因超静定结构的原因,除温度不均匀变化外,多余约束同样会引起内约束温度应力。因此在分析连续刚构桥的温度应力时要同时考虑外约束应力和内约束应力。

对混凝土材料而言,其温度荷载随外界温度的变化而变化,所以混凝土结构的温度荷载是一个与时间有关的函数。通读文献,温度荷载计算方法为:(1)利用Foureir的热传导方程和变分法进行求解;(2)采用数值分析法求解;(3)通过半经验半理论公式求解^[7,8] 。

Foureir的热传导法主要是根据热量的传递原理,确定温度场,以三维非稳定传导方程确定边界条件,采用数学方法解出温度荷载值。热量传递的形式可分为:热传导、热对流和热辐射。温度场是一个关于时间和空间的函数,是指某一时刻所有点温度分布的总称。边界条件的确定主要考虑2个因素:接触面和初始温度。边界条件又可分为3种:第1类边界条件、第2类边界条件和第3类边界条件。

有时利用数学方法求解带有边界条件的微分方程是得不到精确解的,而且庞大的运算量也要耗费大量精力。尤其是处理工程上的问题,用函数求解法几乎是行不通的。因此,主要采用近似数值解的方法来计算,通常所用的方法有:有限元分析法和差分法。

半经验半理论公式是一种可确定某一时刻温度分布的方便的计算式。例如,英国用函数式 来表示沿板厚的温度分布,其中c_x为实验参数。我国用 来分析壁厚方向的温度分布,其中T₀为墩壁内外表面的温度差。

某大桥为(65+120+65)m 3跨预应力混凝土连续刚构桥,上部结构为单箱单室三向预应力混凝土结构,箱梁顶面与路线横坡一致。箱梁顶宽12.0m,底板宽6.5m,顶板设单向横坡,箱梁跨中及边跨现浇段设计梁高3.0m,根部和0号块截面设计梁高为7.2m,从中跨跨中至箱梁根部,梁高以1.8次抛物线变化。主墩采用变截面空心薄壁墩,4号墩高104.262m,5号墩高90.086m。平面分别位于直线和圆曲线(R=2 580m)、圆曲线(R=2 600m)上,墩台径向布置。桥型布置如图1所示。

公路-I级,桥面宽11.0m,按3车道计算,车道折减系数取0.78。箱梁偏载系数取1.15,即3×0.78×1.15=2.691。

28℃,体系降温:-26.5℃。

T14℃/5.5℃(截面正温差),T-7℃/-2.75℃(截面负温差)。

18℃±3℃。

因此,荷载组合及工况分析如下:(1)工况1主梁整体升温28℃;(2)工况2主梁整体降温26.5℃;(3)工况3主梁截面正温度梯度为5.5℃升到14℃;(4)工况4主梁截面负温度梯度为-2.75℃下降到-7℃。

计算采用MIDAS模型,按桥梁构造、施工阶段划分等建立计算模型。箱梁截面在CAD按1∶1的比例绘制后,以dxf文件的格式导入到SPC截面特性计算器中,再转化成sec文件格式导入MIDAS程序中。桥墩截面利用MIDAS系统定义截面方式输入。预应力钢束按设计图纸提供的参数输入,管道摩阻系数、管道偏差系数按设计文件取值。

边界条件定义如下:(1)墩底忽略桩基和承台,墩底固接。(2)边跨支承边跨合龙前,边跨现浇段中除支座位置节点采用双向支承外,其余节点采用竖向正向支承,为保证约束条件,在其余任一节点上施加了水平方向支承。边跨合龙、张拉边跨预应力钢束前,除保留支座位置的支承外,其余支承全部删除。

按4种工况分别计算得到位移变化情况。上部结构位移曲线如图2所示,其中D_x为纵桥向位移;D_y为横桥向位移;D_z为垂直方向位移。各工况位移变形值如表1所示。

表1数据表明:工况1~4均只引起桥上部结构的纵桥向(D_x)位移和桥墩垂直方向(D_z)位移,而不产生横桥向(D_y)位移,因为在温度应力作用下不产生y向的内力。对比分析x向的位移值和z向的位移值,可知z向的位移值均大于x向,表明温度应力值在竖向的作用大于横向作用;对比工况1,2和工况3,4的数据,可知在温度梯度作用下产生的变形远大于整体温度变化下的变形,从另一角度可知,内约束温度应力大于外约束应力。

计算4种工况内力和应力情况如表2,3所示(表中“-”表示压应力,“+”表示拉应力)。其中F_x为轴力、F_y为横桥向剪力、F_z为纵桥向剪力、M_x为扭矩,M_y,M_z分别为顺桥向弯矩和横桥向弯矩。

从表2和表3可以看出:4个工况对结构轴力(F_x)和顺桥向弯矩(M_y)的影响较大,在竖向也会产生较小的轴力(F_z);此连续刚构桥结构的温度梯度变化引起的内力值明显大于整体温度变化引起的内力值;整体升、降温,局部升温都只会产生压应力,且局部升温引起的压应力较大;局部温度下降会产生明显的拉应力,且拉应力值较大。考虑到预应力混凝土梁的拉应力主要是由预应力束抵消,而支点附近由于预应力不起作用,因此需采取构造措施进行处理。

本文重点研究现浇连续刚构桥的温度效应,以某连续刚构桥实例为研究对象,对其实施了整体升温荷载、整体降温荷载、正温度梯度荷载、负温度梯度荷载作用下的全桥变形和内力进行计算,通过分析得出以下结论。

1)整体升、降温作用将引起主梁产生纵桥向位移和竖直位移,而且对结构轴力和顺桥向弯矩的影响较大。

2)温度梯度荷载较整体温度变化对连续刚构桥主梁的作用大的多。

3)整体温度变化会在连续刚构桥主梁上、下缘截面产生细微拉、压应力。

4)连续刚构桥主梁在正温度梯度作用下,于上、下缘截面产生较大的、有利的压应力;连续刚构桥主梁在负温度梯度作用下,上、下缘截面产生较大的、有害的拉应力,需采取适当措施予以处理。