李自林，劉明艷，李 妲

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津 300384;2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098)

大部分橋梁每天都要經(jīng)過一定的溫度變化，這些溫度變化可能對橋梁受力引起相當(dāng)大的改變，在日溫差較大的季節(jié)此種影響尤其明顯。鋼材是熱的良導(dǎo)體，在強(qiáng)烈的日光照射下溫度快速升高，在溫度變化的作用下材料的各種性能可能會發(fā)生某些變化，由此而產(chǎn)生的內(nèi)力對結(jié)構(gòu)的受力可能會產(chǎn)生很大的影響。對鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，由于其組合截面的特性，鋼材與混凝土有著不同的材料性能，各自的受力特點(diǎn)也不相同，在溫度變化作用下的受力情況應(yīng)做重點(diǎn)研究。規(guī)范[1]要求在計(jì)算結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)時(shí)對不同材料應(yīng)采取不同線膨脹系數(shù)，陳寶春，徐愛民等[2]提出了計(jì)算合龍溫度的概念，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出計(jì)算拱的溫度應(yīng)采用日平均溫度。

國內(nèi)其他研究者關(guān)于橋梁溫度效應(yīng)的探究一直未曾間斷。朱愛華，譚萬忠等[3-4]對曲線梁橋的溫度效應(yīng)進(jìn)行了分析，趙毓成等[5]對鋼管混凝土拱橋的非線性溫度荷載分析做了相應(yīng)的研究，余明林等[6]由實(shí)測溫度數(shù)據(jù)對鋼管混凝土拱橋在溫度荷載下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移等做了相應(yīng)的探討。

1 工程簡介

以跨度為330 m的淳安南浦大橋?yàn)槔瑯蛭凰鶎賲^(qū)域位于中亞熱帶季風(fēng)氣候帶北緣，四季分明，光照充足。年平均氣溫17℃，1月平均氣溫5℃，為最低，極端最低氣溫－7.6℃，7月平均氣溫28.9℃，極端最高氣溫41.8℃。有調(diào)查顯示，如此大的溫差變化在橋梁建設(shè)時(shí)不能忽略。

該橋?yàn)殇摴芑炷凉皹?，四肢桁式拱，拱肋直徑?50 mm。吊桿為熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索，橋面為混凝土T形梁。拱肋間由橫撐和靠近拱腳處的橫梁聯(lián)系，位于橋面上的橫撐有十三道，對稱布置，拱腳處在橋面下設(shè)置拱上橫梁和橋下橫撐，橫撐和拱上橫梁分別與主拱肋連接，橫撐截面為空心鋼管，橫梁為T形鋼筋混凝土截面。

2 模型的建立

應(yīng)用有限元軟件MIDAS/Civil建立該橋的有限元模型，吊桿采用桁架單元模擬，其余單元均采用梁單元，拱腳處拱上橫梁與橋面板連接處將實(shí)體單元簡化為梁單元模擬，實(shí)體單元與梁單元的連接較復(fù)雜，為簡化計(jì)算，按照受力體系將其簡化為梁單元。共2 432個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 378個(gè)單元。

超靜定結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)，會在拱中產(chǎn)生附加內(nèi)力，這些附加應(yīng)力有時(shí)會對拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生顯著的不利影響。

在此僅考慮均勻升、降溫產(chǎn)生的附加內(nèi)力。拱橋建成以后，若氣溫與主拱合龍時(shí)的氣溫不同，則會在拱內(nèi)產(chǎn)生附加內(nèi)力。設(shè)溫度變化引起跨徑方向的變位為Δlt，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，必須在彈性中心施加一個(gè)水平推力 Ht，溫度上升時(shí)，Ht為正(向內(nèi)作用);溫度下降時(shí)，Ht為負(fù)(向外作用)。如圖1所示。其典型方程為

由于Ht的作用，拱各截面產(chǎn)生的溫度內(nèi)力為

式中 α——材料的線膨脹系數(shù);

t1——拱合龍時(shí)的溫度;

t2——當(dāng)?shù)刈罡呋蜃畹驮缕骄鶞囟?

E——考慮混凝土徐變后的彈性模量;

μ——泊松比。

圖1 溫度荷載下拱肋受力示意

3 數(shù)據(jù)分析

對鋼管混凝土拱橋在溫度荷載下的受力情況分析中，分別考慮橋梁整體升溫、整體降溫、拱肋升溫、拱肋升溫+橋面板溫度梯度荷載，計(jì)算構(gòu)件的內(nèi)力分布，與結(jié)構(gòu)自重作用下的內(nèi)力相比較，對比溫度荷載作用所帶來的主拱肋截面內(nèi)力數(shù)據(jù)，從而得出溫度變化對結(jié)構(gòu)影響的重要程度。

另外，考慮到本文所選實(shí)橋?yàn)殇摴芑炷凉皹颍涔袄咄耆┞对谌展庀?，接受完全的日照，而拱腳處與主拱肋相連的橫梁位于橋面板的下方，并不能受到日光直接照射，兩者的溫度相差較大，可能導(dǎo)致兩者的變形差別懸殊，使拱肋與橫撐的連接處可能因此而產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此本文考慮應(yīng)對拱肋與橫撐的連接處受力變化做詳細(xì)考查，防止由于溫度變化而產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞性結(jié)果。

3.1 溫度荷載工況及相應(yīng)內(nèi)力

考慮五種工況:工況1為整體升溫20℃;工況2為整體降溫20℃;工況3為拱肋升溫15℃;工況4為拱肋升溫15℃ +橋面溫度梯度荷載;工況5為結(jié)構(gòu)自重及預(yù)應(yīng)力荷載。獲得此五種工況下結(jié)構(gòu)主拱肋的軸力、彎矩和扭矩情況，將前四種不同溫度荷載下二分之一跨主拱肋產(chǎn)生的內(nèi)力與結(jié)構(gòu)在自重作用下的內(nèi)力相比較。從拱腳到拱頂，以相同水平間距選取主拱肋節(jié)點(diǎn)1～31。圖2～圖4分別表示主拱肋 y、z方向的彎矩以及軸力，x軸表示主拱肋節(jié)點(diǎn)號，y軸表示相應(yīng)內(nèi)力值。

由圖2可知，前四種工況中，工況1的數(shù)值最大，其對結(jié)構(gòu)的影響更顯著，在接近拱腳處甚至與工況5(結(jié)構(gòu)的自重)數(shù)值接近;工況2顯示在拱腳處彎矩較大，但拱肋其余部分則數(shù)值較小;而工況3和工況4在整個(gè)二分之一跨處相對數(shù)值較小，可酌情考慮其對結(jié)構(gòu)受力的影響。

圖2 主拱肋彎矩(面內(nèi))

由圖3可知，工況1和工況2在拱肋上的變化數(shù)值相近，方向相反，在靠近拱腳處數(shù)值偏大，但其余部分?jǐn)?shù)值較小，而工況3和工況4整體數(shù)值均較小，總體來說，溫度荷載下主拱肋的拱腳處受力偏大，與橋梁自重相比不可忽視。

圖3 主拱肋彎矩(面外)

圖4 主拱肋軸力

由圖4可看出:①結(jié)構(gòu)整體升溫下主拱肋的軸力產(chǎn)生最明顯的增大;②而整體降溫工況下軸力變化幅度則相對較小，且其曲線平緩;③工況3、4相差較小，其曲線形狀相近，數(shù)值沒有較大偏差，說明考慮橋面溫度梯度荷載與否對主拱肋軸力的影響不大;④工況1與工況4相比較，主拱肋的軸力相差較大，則應(yīng)考慮與實(shí)際情況相結(jié)合選取相應(yīng)工況。

3.2 考慮拱肋與橫梁溫差計(jì)算連接處截面內(nèi)力

該橋梁為鋼管混凝土拱橋，由于構(gòu)造特點(diǎn)，靠近拱腳處設(shè)兩道拱上橫梁，其截面采用空鋼管，兩端與主拱肋相連，位于橋面板下方，在強(qiáng)烈日光照射下，主拱肋及橫撐等溫度升高較大，但位于橋面板之下的橫梁在不接受日光直接照射的情況下，主拱肋和橫梁的溫度差較大，拱肋與橫梁變形不一致，可能會產(chǎn)生應(yīng)力集中。本文考慮主拱肋與橫梁的溫差影響，計(jì)算拱肋升降溫等作用下橫撐與拱肋的連接處產(chǎn)生的內(nèi)力，將各連接點(diǎn)的內(nèi)力列于表1，表2，表3。

表1 拱肋與橫梁連接處軸力 kN

表2 拱肋與橫梁連接處扭矩 kN·m

表3 拱肋與橫梁連接處彎矩 kN·m

由表1和表2可得，整體升、降溫以及橋面升、降溫荷載下各連接處軸力及扭矩偏大，但拱肋升溫+橋面溫度梯度荷載和拱肋升溫荷載作用下各連接處的軸力和扭矩相對很小。說明考慮拱肋和橫梁的溫差時(shí)二者連接處的軸力會很大，整體溫度的變化對其影響更顯著。

由表3可得，拱肋與橫梁的連接處在整體升、降溫荷載作用下其兩個(gè)方向的彎矩值最大，且升溫與降溫荷載所產(chǎn)生的彎矩值大小接近，方向相反，其次為橋面升溫、降溫所產(chǎn)生的彎矩值較大，拱肋升溫+橋面溫度梯度荷載和拱肋升溫荷載下彎矩值偏小。這與表1和表2所得結(jié)果類似，即考慮拱肋與橫梁溫差對其內(nèi)力的影響較大，而不考慮兩者溫差的工況下其彎矩相對很小。另外，橋面升、降溫荷載作用下拱肋和橫梁之間雖沒有溫差，但其內(nèi)力仍較大，不能忽視，可能由于橋面板拱肋共同作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

1)橋梁整體升、降溫荷載下對主拱肋的內(nèi)力影響很大，甚至接近于結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的內(nèi)力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對其足夠重視。

2)考慮日光照射導(dǎo)致橋面板上下截面溫度不一致，即產(chǎn)生溫度梯度荷載，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮拱肋升溫和橋面溫度梯度荷載作用下主拱肋的內(nèi)力。

3)鋼管混凝土拱橋拱肋與橋面下橫梁由于兩者溫度相差較大，可能會使兩者的連接處產(chǎn)生較大的不容忽視的內(nèi)力，建議設(shè)計(jì)時(shí)考慮當(dāng)?shù)貧鉁厍闆r，計(jì)算該項(xiàng)內(nèi)力。

[1]中華人民共和國交通部.JTG D60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[2]陳寶春，徐愛民，孫潮.鋼管混凝土拱橋溫度內(nèi)力計(jì)算時(shí)溫差取值分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2000，13(2):52-56.

[3]朱愛華，淺談曲線梁橋溫度荷載效應(yīng)分析[J].中國水運(yùn)，2008(1):108-109.

[4]譚萬忠，張佐漢，柯在田，平面曲線梁橋溫度變形與支承體系布置探討[J].鐵道建筑，2005(4):7-9.

[5]趙毓成，王富強(qiáng)，張文獻(xiàn)，等.鋼管混凝土拱橋的非線性溫度應(yīng)力影響因素的探究[J].中國市政工程，2007(10):29-31.

[6]余明林，楊文鳴，吳冬雁，等.下承式剛性系桿拱橋的結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)研究[J].建筑技術(shù)，2009(4):368-370.