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(大同高速公路有限責(zé)任公司，山西 大同 037006)

引言

橋梁作為長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中的人工構(gòu)造物，不可避免地要受到溫度、太陽輻射、雨雪等自然因素的影響。由于混凝土材料本身的熱傳導(dǎo)效率較差，使得直接與大氣接觸的橋梁表面會(huì)迅速升溫或降溫，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度則變化不大，從而在截面內(nèi)形成比較大的溫差即溫度梯度現(xiàn)象，加之結(jié)構(gòu)外部約束的作用，溫度梯度效應(yīng)會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成較大的溫度應(yīng)力，甚至超過活載的應(yīng)力，造成混凝土橋梁局部嚴(yán)重開裂。

目前，在國(guó)內(nèi)外橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)溫度梯度函數(shù)并沒有統(tǒng)一的規(guī)定，其中大部分國(guó)家采用一條溫度梯度曲線，而美國(guó)把全國(guó)劃分為4個(gè)氣候區(qū)，每個(gè)氣候區(qū)有不同的溫度梯度參數(shù)；新西蘭根據(jù)截面形式按閉合箱梁頂部分及其他截面形式部分采用兩條不同溫度梯度曲線。我國(guó)幅員遼闊，南北方緯度相差較大，而且結(jié)構(gòu)形式多樣，太陽輻射時(shí)間也有顯著差異，是否應(yīng)繼續(xù)采用同一溫度梯度曲線值得研究。在橋梁設(shè)計(jì)中，如何充分考慮溫度效應(yīng)的影響，根據(jù)本地區(qū)的環(huán)境條件合理選擇溫度梯度曲線，以便有效降低混凝土溫度效應(yīng)的影響，提高橋梁的耐久性和安全度，是廣大橋梁工作者共同關(guān)心的問題[1-2]。

1 輻射溫差效應(yīng)的計(jì)算原理及實(shí)用溫度分布函數(shù)

溫度效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是結(jié)構(gòu)的溫度熱傳導(dǎo)效應(yīng)，由于混凝土材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱等熱工性能與其組成材料、配合比、太陽輻射強(qiáng)度和時(shí)間、氣溫變化及風(fēng)速等因素密切相關(guān)，加之橋梁結(jié)構(gòu)截面的復(fù)雜性，目前國(guó)內(nèi)外仍然以半理論半經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算方法居多。

1.1 輻射溫差效應(yīng)的計(jì)算原理

由于梁截面的應(yīng)變分布要符合平截面假定，故當(dāng)它的縱向纖維之間受到相互約束時(shí)，截面的最終應(yīng)變?chǔ)乓矐?yīng)為直線分布[3]。圖1為溫度應(yīng)力計(jì)算示意圖，計(jì)算公式見(1)式和(2)式。

在具體計(jì)算中，可根據(jù)以上公式求得截面各點(diǎn)

圖1 溫度應(yīng)力計(jì)算示意圖

(1)

(2)

式中：ε0——y=0處的應(yīng)變值；ψ——單元梁段撓曲變形后的曲率；α——材料的線膨脹系數(shù)；T(y)——溫度梯度；b(y)——截面寬度；A——截面面積；yc——重心軸坐標(biāo)；I——截面抗彎慣性矩。

的溫度自應(yīng)力，同時(shí)可結(jié)合曲率計(jì)算結(jié)果求得超靜定結(jié)構(gòu)的溫度次內(nèi)力和次應(yīng)力。

1.2 國(guó)內(nèi)外規(guī)范中的溫度梯度函數(shù)[2，4]

世界各國(guó)針對(duì)各自的實(shí)際情況，在公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)主梁輻射溫差效應(yīng)的規(guī)定各不相同，除了新西蘭考慮閉口截面與開口截面的不同外，其余各國(guó)均按升、降溫兩種工況規(guī)定曲線類型及參數(shù)。這些內(nèi)容在相關(guān)教材及參考文獻(xiàn)中有很詳細(xì)的介紹，本文不再贅述。

我國(guó)在JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中所規(guī)定的溫度梯度曲線借鑒了美國(guó)公路交通與運(yùn)輸協(xié)會(huì)(AASHTO)規(guī)范，并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況作了適當(dāng)調(diào)整，采用該規(guī)范中的第2氣候區(qū)的參數(shù)。在本文中，為了避免與中國(guó)規(guī)范完全相同，采用美國(guó)規(guī)范計(jì)算時(shí)選擇了美國(guó)第3氣候區(qū)的溫度梯度曲線。

2 不同溫度梯度曲線對(duì)主梁受力狀態(tài)的影響

2.1 工程概況

本文的研究對(duì)象為1座雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋，塔梁固結(jié)、梁底設(shè)支座，橋墩采用單柱式墩。橋跨形式為76 m+128 m+76 m。主梁為三跨變截面箱梁，采用三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，縱向、橫向和豎向均設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，中跨跨中及邊跨支點(diǎn)附近梁高為2.4 m，主塔處梁高為4.2 m，中間段按二次拋物線變化。該橋斜拉索為單索面，采用扇形布置，斜拉索雙排布置在中央分隔帶上，每個(gè)塔上設(shè)有10對(duì)20根斜拉索，全橋共40根。主梁及主塔均采用C50混凝土，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土。

2.2 橋梁?jiǎn)卧獎(jiǎng)澐旨敖Y(jié)構(gòu)計(jì)算模型

全橋共分為228個(gè)單元，其中1～156單元為主梁，157～172單元為左岸主塔，173～188為右岸主塔，189～228為斜拉索單元。由于主梁在左岸墩頂處為固定支撐，其余均為豎向支撐的邊界形式，其下部結(jié)構(gòu)對(duì)主梁的內(nèi)力影響較小，故本例中未建立下部結(jié)構(gòu)模型。該橋上部結(jié)構(gòu)立面見圖2。

圖2 某預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋立面

2.3 計(jì)算結(jié)果

為了詳細(xì)了解各種溫度梯度函數(shù)對(duì)斜拉橋索力及主梁應(yīng)力的影響，本文分別根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)用較為廣泛的幾個(gè)國(guó)家橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的溫度梯度曲線，詳細(xì)計(jì)算了各國(guó)規(guī)范對(duì)橋梁受力狀態(tài)的影響。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，為了使圖表顯示清晰，主梁應(yīng)力變化顯示了一半結(jié)構(gòu)。圖3至圖5分別為溫度梯度-索力曲線、主梁輻射升溫-主梁應(yīng)力增量曲線和主梁輻射降溫-主梁應(yīng)力增量曲線。

圖3 溫度梯度-索力曲線

圖4 主梁輻射升溫-主梁應(yīng)力增量曲線

圖5 主梁輻射降溫-主梁應(yīng)力增量曲線

由以上計(jì)算圖表可以看出，不同溫度梯度函數(shù)對(duì)矮塔斜拉橋的索力和主梁受力狀態(tài)有較大影響。具體分析如下：

(1)在索力變化方面，當(dāng)主梁為輻射升溫作用時(shí)，中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的影響較為一致，而英國(guó)規(guī)范和新西蘭規(guī)范的影響比較接近，作用效應(yīng)略大于中國(guó)規(guī)范或美國(guó)規(guī)范的影響；在輻射降溫作用時(shí)，中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范相對(duì)適中，英國(guó)規(guī)范的作用效應(yīng)明顯高于其他國(guó)家的規(guī)范控制值，控制較為嚴(yán)格。

(2)在主梁受到輻射升溫作用時(shí)，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算時(shí)主梁上緣應(yīng)力明顯高于其他國(guó)家規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，控制較為嚴(yán)格；美國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范適中，法國(guó)規(guī)范則最小。同時(shí)，對(duì)于主梁下緣應(yīng)力，按英國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果明顯高于其他國(guó)家規(guī)范的計(jì)算結(jié)果，控制較為嚴(yán)格；中國(guó)規(guī)范、美國(guó)規(guī)范和法國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果較為接近。

(3)在主梁受到輻射降溫作用時(shí)，按中國(guó)規(guī)范計(jì)算的主梁上緣應(yīng)力比較適中，略高于美國(guó)規(guī)范，但低于英國(guó)規(guī)范。同時(shí)，對(duì)于主梁下緣應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，中國(guó)規(guī)范和美國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果比較接近，按英國(guó)規(guī)范的計(jì)算結(jié)果則控制更為嚴(yán)格。

3 結(jié)論

對(duì)不同國(guó)家規(guī)范中的溫度梯度曲線的比較分析表明，混凝土矮塔斜拉橋?qū)χ髁狠椛錅夭钭饔幂^為敏感，不同溫度梯度函數(shù)對(duì)矮塔斜拉橋的索力及主梁應(yīng)力控制指標(biāo)的嚴(yán)格程度相差較大。主要得出以下結(jié)論：

3.1 不同的溫度梯度曲線對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響相差較大。因此，在具體設(shè)計(jì)特別是跨界和涉外橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合本地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)，并參考相關(guān)國(guó)家和地區(qū)的溫度梯度曲線，嚴(yán)格控制溫度作用效應(yīng)，防止主梁過早開裂。

3.2 在具體的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)結(jié)合主梁的材料(如鋼梁和混凝土橋梁)、截面形式(如T梁和箱梁)等因素，妥善選取合適的溫度梯度曲線，以便更合理地模擬結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)效應(yīng)。

3.3 在矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)中，主梁上緣輻射升溫作用時(shí)，上緣應(yīng)力宜按中國(guó)規(guī)范控制，其他工況可參考英國(guó)規(guī)范，即采取包絡(luò)計(jì)算的方式對(duì)主梁極限應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行控制計(jì)算。

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