宋香娥+宋秋娥+魏斌

（1.北京第二外國語學(xué)院基建處，北京 100024；2.京煤集團(tuán)物業(yè)管理公司，北京 102300；

3.北京昊華能源公司京東方能源投資有限公司，北京 100015）

摘要：文章通過建立混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋有限元物理和數(shù)學(xué)模型，并與工程實(shí)例相結(jié)合，對不同溫度梯度模式下溫差在施工控制中對橋梁線型及受力的影響進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明不同溫度梯度模型對主梁變形有較大影響，尤其對最大懸臂端，如果設(shè)計(jì)時(shí)對梯度溫差考慮不足的話，很可能會(huì)造成梁端部下?lián)洗笥谠O(shè)計(jì)計(jì)算值，從而造成全橋合攏及線形控制的困難。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)；有限元方法；溫度梯度；應(yīng)力及變形

中圖分類號(hào)：U448文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2014）22-0023-03對于大跨度連續(xù)梁橋來說，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移等構(gòu)造措施來消除因常年緩慢變化的年溫差導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生的縱向位移；而對于連續(xù)剛構(gòu)橋，由于梁的縱向位移受到了與其固結(jié)的主墩的約束而使得主墩墩身會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，溫度變化加大了對鋼構(gòu)橋梁結(jié)構(gòu)的受力與變形影響，這種影響隨溫度梯度的變化而變化。箱形截面梁懸臂施工控制的兩個(gè)最重要的方面是線型控制和應(yīng)力控制，而溫度是影響這兩個(gè)方面的重要因素。

1混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋溫差應(yīng)力有限元分析

1.1連續(xù)剛構(gòu)橋工程實(shí)例

水磨灣特大橋位于少林寺至洛陽高速公路K21+910m處。該橋主橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，跨經(jīng)組成為65+110+65＝240m，空心薄壁式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。上部結(jié)構(gòu)為單箱單室斷面，頂板寬度為12.75m，底板寬度為6.5m，箱梁根部梁高6.0m，跨中及邊跨合攏段梁高為2.3m，箱梁底板下緣按二次拋物線變化。主橋主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系：縱向預(yù)應(yīng)力氛圍頂板束、底板束邊跨合攏鋼束三種，采用ASTM-92標(biāo)準(zhǔn)的15Φj15.24mm的270級鋼絞線，OVM15-15錨具，張拉力為2930kN；豎向預(yù)應(yīng)力采用Φj32mm的高強(qiáng)精軋螺紋粗鋼筋，YGM錨具，張拉力為452kN；橫橋向預(yù)應(yīng)力采用ASTM-92標(biāo)準(zhǔn)的3Φj15.24mm的270級鋼絞線，BM15-3錨具，張拉力為586kN。

1.2計(jì)算物理模型

水磨灣特大橋的靜力計(jì)算采用空間有限元分析程序（Midas/Civil），其計(jì)算物理模型如圖1所示。全橋共劃分為78個(gè)單元，其中主梁劃分為66個(gè)單元，主墩劃分為12個(gè)單元。懸臂澆筑橋梁結(jié)構(gòu)施工階段定義與實(shí)際施工階段劃分一致，如圖2所示。

圖1有限元計(jì)算物理模型

圖2計(jì)算模型—懸臂澆筑施工節(jié)段劃分

2溫度梯度模式

為了分析梁內(nèi)溫度應(yīng)力和應(yīng)變在不同溫度梯度模式作用下的變化情況，本文選擇了六種溫度梯度模式來計(jì)算施工過程中預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂階段在不同施工階段時(shí)溫度應(yīng)力及應(yīng)變的變化情況。

梯度模式1：箱梁腹板和底板無溫差，橋面板均勻升溫，溫差為5℃，按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ023-85）溫度梯度模式。

梯度模式2：橋面板表面的最高溫度取20℃，按照我國《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD60-2004）溫度梯度模式。

梯度模式3：按照美國AASHTO規(guī)范對溫度梯度的規(guī)定建立的溫度梯度模式，這種模式與我國《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60-2004）的溫度梯度模式差別主要是在截面厚度為200mm的底板上采用從0℃～2.5℃的線性溫度增長。

梯度模式4：按照英國BS5400規(guī)范升溫時(shí)的溫度梯度建立的模式。

梯度模式5：溫度梯度是一高為1200mm的五次拋物曲線，混凝上表面溫度取為32℃，在截面200mm厚的底板上運(yùn)用0℃～1.5℃的線性溫度增長，這種梯度模式與新西蘭的規(guī)范相似。

梯度模式6：該溫度梯度模式是根據(jù)實(shí)測結(jié)果提出的，這種模式與我國鐵路規(guī)范的溫度梯度模式相近。

圖3主梁上下緣應(yīng)力對比

3計(jì)算結(jié)果分析

在六種模型下最大懸臂施工階段時(shí)主梁上下緣應(yīng)力對比圖如圖3，應(yīng)力單位為MPa。

由圖3可見，由模型3與模型2產(chǎn)生的主梁上緣應(yīng)力基本保持一致，而產(chǎn)生的下緣應(yīng)力卻差別挺大，原因是模型3與模型2相比，區(qū)別在于模型3考慮了底板的升溫，而模型2未考慮。由模型3、4、5產(chǎn)生的下緣應(yīng)力連續(xù)性比較差，其原因是這三種模型都考慮了底板升溫。

圖4主梁1/4截面應(yīng)力分布

最大懸臂階段，六種溫度梯度模型引起的主梁1/4截面的應(yīng)力沿梁高的分布如圖4所示。

由圖5及表1可見，不同溫度梯度模型對主梁變形也有較大影響。尤其對最大懸臂端，模型5與模型1引起的端部豎向位移相差37mm多，而實(shí)測端部豎向位移也有26mm。由梯度升溫引起的主梁水平伸長量，模型5最大，為13.84mm；模型1最小，為3.29mm。而實(shí)測值為10.25mm，與實(shí)測值最為接近的是模型6，為13.78mm?？梢姡绻O(shè)計(jì)時(shí)對梯度溫差考慮不足的話，很可能會(huì)造成梁端部下?lián)洗笥谠O(shè)計(jì)計(jì)算值，從而造成全橋合攏及線形控制的困難。因此，在連續(xù)剛構(gòu)橋的施工過程中，很有必要針對梯度溫差影響進(jìn)行同步施工控制。當(dāng)采用懸臂澆筑對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工時(shí)，一旦主梁合攏，結(jié)構(gòu)將由原來的靜定結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變成超靜定結(jié)構(gòu)體系，并且將產(chǎn)生由于溫度變化等因素引起的次內(nèi)力。通過理論和實(shí)踐證明，在大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱形梁橋中，特別是如連續(xù)剛構(gòu)橋超靜定結(jié)構(gòu)體系，溫度應(yīng)力能達(dá)到甚至于超過活載應(yīng)力，常常成為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁產(chǎn)生裂縫的主因。因此，采用懸臂澆筑對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制體系轉(zhuǎn)換的溫度，避免由此帶來主梁破壞。

表1?跨中合攏口長度縮短實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果對比

實(shí)測值 10.25mm

模型1 3.29mm

模型2 5.22mm

模型3 5.12mm

模型4 3.64mm

模型5 13.84mm

模型6 13.78mm

圖5主梁豎向位移

4結(jié)語

通過對計(jì)算結(jié)果的對比分析，可以得出如下結(jié)論：（1）在梯度升溫時(shí)，主梁上下緣都出現(xiàn)壓應(yīng)力，且上緣應(yīng)力比下緣大；（2）不同溫度梯度模型對主梁變形有較大影響，尤其對最大懸臂端，如果設(shè)計(jì)時(shí)對梯度溫差考慮不足的話，很可能會(huì)造成梁端部下?lián)洗笥谠O(shè)計(jì)計(jì)算值，從而造成全橋合攏及線形控制的困難。

參考文獻(xiàn)

[1]?周軍生，樓莊鴻．大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的

?現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]．中國公路學(xué)報(bào)，2000，113

?（11）．

[2]?小沃爾特·波多個(gè)尼，J·M·米勒爾著，萬國朝，黃邦本

?譯．預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁分段施工和設(shè)計(jì)[M]．北京：

?人民交通出版社，1986．

[3]?王解軍，李全林，盧向華．混凝土箱梁橋施工控制的

?溫度效應(yīng)[J]．公路，2003，（1）．

[4]?Enrigue Mirambell， Antonio Aquado，Temperature and

?Stress Distributions in Concrete Box Girder Bridge[J]．

? Journal of Structural Engineering， 1990， 116（9）．

[5]?遲經(jīng)斌，蘇國明．PC箱形連續(xù)剛構(gòu)橋施工中的溫度應(yīng)

?力對施工監(jiān)測的影響[J]．鐵道建筑技術(shù)，1998，

?（2）．

[6]?項(xiàng)海帆．高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M]．北京：人民交通出

?版社，2001．

[7]?王勖成，邵敏，有限單元基本原理和數(shù)值方法[S]．北

?京：清華大學(xué)出版社，1997．

[8]?公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范

?（JTJ023-85）[S]．北京：人民交通出版社，1985．

[9]?公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D60-2004）[S]．北京：

?人民交通出版社，2004．

[10]?美國AASHTO LRFD公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：

?人民交通出版社，1998．

[11]?BS5400-4-1990 Code of Practice for Design of Concrete

?Bridges[M]． Britain： British Standard Institute，

?1990．

[12]?CEP-FIP Model Code for Concrete Structures[M]．

?New Zealand： Thomas Telford Bookshop， 1978．

[13]?鐵?路?橋?涵?設(shè)?計(jì)?基?本?規(guī)?范（T?B?1?0?0?0?2?．?1?-?2?0?0?5）[S]．北

?京：中國鐵道出版社，2005．

作者簡介：宋香娥（1975—），女，北京第二外國語學(xué)院基建處工程師，碩士，研究方向：橋梁與隧道工程。