寇延春

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

客運(yùn)專線連續(xù)箱梁豎向溫差取值探討

寇延春

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

為研究客運(yùn)專線箱梁豎向溫差荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響,對(duì)比分析美國(guó)、英國(guó)、日本及中國(guó)四種不同橋梁規(guī)范給定的非線性日照溫度曲線,結(jié)合3跨變截面連續(xù)箱梁實(shí)例,計(jì)算不同橋梁規(guī)范非線性日照溫度下結(jié)構(gòu)截面的溫度應(yīng)力,表明我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定的溫差荷載對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段受力影響相對(duì)較大。結(jié)合我國(guó)客運(yùn)專線橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際情況,考慮橋面軌道結(jié)構(gòu)對(duì)橋面溫差的折減效應(yīng),提出我國(guó)客運(yùn)專線箱梁橋豎向溫差選取的建議。

客運(yùn)專線;連續(xù)箱梁;溫差荷載;鐵路規(guī)范;結(jié)構(gòu)分析

1 概述

在客運(yùn)專線無(wú)砟軌道連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)中,橋面豎向溫差對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力和變形影響顯著。我國(guó)現(xiàn)行《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.3—2005)[1](以下簡(jiǎn)稱“鐵路規(guī)范”),僅給出有砟和無(wú)砟無(wú)枕的箱梁結(jié)構(gòu)日照溫差分布圖,有砟箱梁不考慮梁高方向的溫差荷載,無(wú)砟無(wú)枕箱梁考慮梁高和梁寬方向的溫差荷載;沒(méi)有給出客運(yùn)專線無(wú)砟有板情況下橋面豎向溫差荷載的計(jì)算模式。由于客運(yùn)專線箱梁無(wú)砟軌道板對(duì)橋面溫度的影響,采用現(xiàn)行鐵路規(guī)范無(wú)砟有枕箱梁溫差模式計(jì)算與結(jié)構(gòu)實(shí)際溫差應(yīng)力明顯不符,現(xiàn)階段對(duì)于客運(yùn)專線箱梁橋結(jié)構(gòu)如何選取日照溫差、降溫溫差及由此計(jì)算箱梁溫度應(yīng)力,還缺乏系統(tǒng)深入的研究。

結(jié)合某連續(xù)梁橋?qū)嶋H工程,根據(jù)現(xiàn)行我國(guó)鐵路規(guī)范,通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外幾種規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度模式的計(jì)算和分析,比較橋面梯度溫度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響的差異,提出我國(guó)客運(yùn)專線箱梁橋豎向溫差選取的建議。

2 客運(yùn)專線橋梁橋面布置

我國(guó)客運(yùn)專線橋梁大量采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)、無(wú)砟軌道。典型雙線橋面布置如圖1所示。

圖1 典型橋面布置(單位:cm)

橋面寬度13.4 m,防護(hù)墻外側(cè)至欄桿內(nèi)側(cè)寬1.7 m,防護(hù)墻內(nèi)側(cè)凈寬9.4 m;橋面兩側(cè)設(shè)置人行道板及遮板;防護(hù)墻內(nèi)側(cè)設(shè)置無(wú)砟軌道板及其基座,每塊軌道結(jié)構(gòu)寬2.4～2.8 m,與頂板混凝土剛性連接,其余部位僅設(shè)置橋面防水層和保護(hù)層,厚度6 cm。

選取工程實(shí)例(70+125+70)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁為研究對(duì)象。全長(zhǎng)266.5 m,跨中及邊支點(diǎn)處梁高5.2 m,中支點(diǎn)處梁高采用9.2 m;箱梁橋面寬13.4 m,箱梁底寬8.2 m。箱梁頂板厚0.50 m,中支點(diǎn)附近局部頂板厚0.65 m。底板厚度由跨中的488.5 cm,按圓曲線變化至中支點(diǎn)根部的107.5 cm。箱梁采用直腹板,腹板厚0.45～0.65～85 cm,中支點(diǎn)附近腹板局部加厚至1.5 m,C55混凝土。箱梁橫斷面見圖2。

圖2 箱梁橫斷面(單位:cm)

計(jì)算參數(shù):二期恒載155.7 kN/m,相鄰兩支點(diǎn)不均勻沉降差均不大于2.0 cm;錨口及喇叭口損失按錨外控制應(yīng)力的6%計(jì)算,管道摩阻系數(shù)取0.23,管道偏差系數(shù)取0.002 5;松弛損失、收縮徐變及其他各項(xiàng)損失均按鐵路規(guī)范計(jì)算。設(shè)計(jì)合龍溫度取16～20℃,均勻溫差按升降溫20℃。

計(jì)算模型:計(jì)算采用平面有限元理論建立全橋有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析,共劃分為90個(gè)單元,結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3,計(jì)算中對(duì)于曲線溫度梯度模式,采用多點(diǎn)擬合的方法進(jìn)行模擬,折線型溫度模式按規(guī)范規(guī)定計(jì)算。

圖3 梁體結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 不同規(guī)范箱梁溫差模式的比較

3.1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范箱梁溫差模式

由于不同國(guó)家和地區(qū)溫度變化較大,選取與我國(guó)基本同緯度地區(qū)的美國(guó)、英國(guó)(歐洲)、日本等進(jìn)行比較。

(1)美國(guó)AASHTO規(guī)范,溫差分布沿梁高按折線變化,如圖4所示。

圖4 美國(guó)AASHTO規(guī)定的溫差梯度模式(單位:mm)

圖中h表示梁高,當(dāng)h≥400 mm時(shí),A=300 mm;當(dāng)h＜400 mm時(shí),A=h-100 mm。T3的取值小于3℃,在沒(méi)有進(jìn)行確切的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的情況下可取為0。負(fù)溫度值應(yīng)取為圖中表格中的規(guī)定值乘以-0.5。

(2)英國(guó)BS5400規(guī)范,正負(fù)溫差梯度模式如圖5所示。

圖5 英國(guó)橋規(guī)BS5400規(guī)定的溫差梯度模式

歐洲結(jié)構(gòu)規(guī)范EN1991—1—1:2004,關(guān)于溫度作用部分的規(guī)定基本上沿用了英國(guó)規(guī)范BS5400的體系,采用的豎向溫度模式與英國(guó)規(guī)范BS5400所規(guī)定的相同。

(3)日本規(guī)范:日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),關(guān)于豎向溫度梯度的規(guī)定,在混凝土結(jié)構(gòu)中溫度變化的范圍,根據(jù)不同地區(qū)的平均氣溫確定。一般情況下,限度升降可分別采用15℃。根據(jù)橋面板和其它部分的溫度差計(jì)算斷面內(nèi)的應(yīng)力時(shí),溫差以5℃為標(biāo)準(zhǔn);溫度分布在橋面和其它部分內(nèi)分別認(rèn)為是均勻的。

(4)中國(guó)鐵路規(guī)范:日照溫差荷載,有砟箱梁只考慮沿梁寬方向的溫差荷載,無(wú)砟無(wú)枕箱梁應(yīng)分別考慮沿梁高方向的溫差荷載和兩個(gè)方向的組合溫差荷載。箱梁沿梁高、梁寬方向的溫差曲線為指數(shù)函數(shù)(圖6),可按下式計(jì)算

式中 Ty、Tx——計(jì)算點(diǎn)Y處的溫差,以℃計(jì);

T01、T02——箱梁梁高方向或梁寬方向的溫差,以℃計(jì),

y、x——計(jì)算點(diǎn)至箱梁外表面的距離,以m計(jì);

a——僅考據(jù)豎向溫差,取5。

降溫溫差荷載,箱梁沿頂板、外腹板板厚溫差曲線的指數(shù)a采用14,相應(yīng)T0采用-10℃。

3.2 溫差模式比較

綜合表1及溫差圖示可以看出:(1)正溫差梯度模式中,美國(guó)AASHTO規(guī)范和英國(guó)BS5400規(guī)范均為雙折線模式,日本規(guī)范為頂板矩形均勻分布模式,而我國(guó)鐵路規(guī)范是以自然對(duì)數(shù)e為底的指數(shù)曲線模式; (2)美國(guó)AASHTO規(guī)范和英國(guó)BS5400規(guī)范給出了豎向負(fù)溫差模式,且均為雙折線,英國(guó)BS5400規(guī)范明確考慮了梁底溫差;日本規(guī)范則不考慮降溫溫差;(3)中國(guó)鐵路規(guī)范橋面豎向溫差特征值介于美國(guó)規(guī)范和英國(guó)規(guī)范之間,但豎向日照升溫溫差影響高度最大,降溫溫差影響高度較小;(4)由于底板終年不受日照,底板內(nèi)外表面的溫度變化也較小,美國(guó)、日本和中國(guó)鐵路規(guī)范均略去底板微小溫度變化的影響。

圖6 中國(guó)鐵路規(guī)范箱梁溫差分布

表1 各規(guī)范溫差模式比較

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

橋面采用素混凝土鋪裝,按各規(guī)范規(guī)定溫差值進(jìn)行計(jì)算比較,梁部其余計(jì)算參數(shù)取值相同,升溫作用下控制截面應(yīng)力值及撓度計(jì)算結(jié)果見表2、表3。

表2 升溫作用下截面應(yīng)力值MPa

表3 升溫作用下?lián)隙戎祄m

計(jì)算結(jié)果表明:(1)豎向溫差荷載對(duì)主梁應(yīng)力影響較大,但不同國(guó)家規(guī)范所規(guī)定的溫度梯度模式差異較大;(2)對(duì)溫差效應(yīng)影響較大的因素為溫度梯度的特征值和溫度梯度的非線性形式,特征值較大的溫度梯度產(chǎn)生的撓度和應(yīng)力均相對(duì)較大;(3)我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定的溫度梯度模式的計(jì)算結(jié)果升溫時(shí)上緣壓應(yīng)力介于美國(guó)AASHTO規(guī)范和英國(guó)BS5400規(guī)范之間,下緣拉應(yīng)力較大,但與美國(guó)AASHTO規(guī)范基本一致,說(shuō)明豎向溫差高度增大對(duì)溫差應(yīng)力影響增大;(4)我國(guó)鐵路規(guī)范升溫作用下中跨跨中截面下緣產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力,且跨中撓度值最大;日本規(guī)范計(jì)算截面上緣壓應(yīng)力值最小。

3.4 合理溫差模式分析

現(xiàn)行我國(guó)鐵路規(guī)范對(duì)有砟箱梁不考慮梁高方向的溫差荷載,對(duì)于無(wú)砟無(wú)枕箱梁考慮梁高和梁寬方向的溫差荷載,但沒(méi)有給出無(wú)砟有板情況下橋面豎向溫差荷載的計(jì)算模式。由于客運(yùn)專線箱梁軌道板對(duì)溫度的折減效應(yīng),采用鐵路規(guī)范無(wú)砟有枕箱梁的溫差計(jì)算得到的箱梁橋溫度應(yīng)力偏大,與結(jié)構(gòu)實(shí)際溫差應(yīng)力不符,造成箱梁部分指標(biāo)難于控制,甚至造成結(jié)構(gòu)材料的浪費(fèi)和結(jié)構(gòu)受力的影響。因此,筆者認(rèn)為現(xiàn)階段箱梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)合理考慮橋面結(jié)構(gòu)對(duì)溫差的折減效應(yīng)。

4 客運(yùn)專線箱梁豎向溫差取值

4.1 豎向溫差的取值

我國(guó)客運(yùn)專線無(wú)砟軌道板有3種類型:Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板,無(wú)論是雙塊式還是板式,軌道板結(jié)構(gòu)最小高度0.43 cm,軌道板最小寬度2.4 m,占防護(hù)墻內(nèi)側(cè)總寬度的51%,防護(hù)墻外側(cè)人行道分別設(shè)置了電纜槽和遮板、欄桿等,箱梁頂板實(shí)際直接承受日照溫差的橋面有效寬度已不足50%。根據(jù)鐵路規(guī)范日照溫差公式,特征值分別選取升溫10～20℃計(jì)算溫差對(duì)梁體作用效應(yīng),如圖7所示。

圖7 不同溫差作用下梁體應(yīng)力值

從圖7可以看出,溫差對(duì)梁體產(chǎn)生應(yīng)力效應(yīng),隨著溫差特征值的增大基本呈線性變化,梁體上緣應(yīng)力在14℃時(shí),上緣壓應(yīng)力為4.5 MPa左右,與英國(guó)BS5400規(guī)范基本接近;梁體下緣拉應(yīng)力在支點(diǎn)處較小,在跨中截面下緣產(chǎn)生約1.4 MPa拉應(yīng)力,略大于日本規(guī)范,但小于美國(guó)AASHTO規(guī)范。綜合國(guó)外橋梁規(guī)范,考慮我國(guó)客運(yùn)專線橋面軌道結(jié)構(gòu)遮蓋以及混凝土的傳熱遞作用,同時(shí)考慮一定的安全儲(chǔ)備,認(rèn)為箱梁橋面豎向溫差按14℃取值,即規(guī)范值的0.7倍進(jìn)行縱向計(jì)算較為合理,修正后的豎向溫差仍以指數(shù)曲線表示截面豎向溫度梯度[10],即日照溫差Ty=14e-5y,降溫差公式為Ty=7e-14y,與英國(guó)BS5400規(guī)范溫差特征值基本一致,但更偏于安全。

4.2 橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

實(shí)際工程實(shí)踐中,由于對(duì)箱梁豎向溫差模式缺乏研究,往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值計(jì)算。一般在有砟軌道箱梁結(jié)構(gòu)中,主跨大于64 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,偏安全起見考慮了頂板5℃的局部溫差,與日本道路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)基本類似;無(wú)砟軌道考慮頂板受太陽(yáng)直接照射的影響,頂板局部溫差按8℃計(jì)算,多年來(lái)運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明,采用上述經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)是可靠的。

采用規(guī)范溫差、經(jīng)驗(yàn)溫差和本文建議的修正豎向溫差,分別計(jì)算箱梁運(yùn)營(yíng)階段的截面正應(yīng)力、主應(yīng)力以及撓度,主力+附加力工況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表4。

表4 截面應(yīng)力及撓度計(jì)算結(jié)果比較

計(jì)算結(jié)果表明:(1)本文建議的修正豎向溫差模式,上緣最大壓應(yīng)力和下緣拉應(yīng)力分別介于規(guī)范值和經(jīng)驗(yàn)值之間,上緣正最大應(yīng)力大于經(jīng)驗(yàn)溫差應(yīng)力2 MPa,上緣最小應(yīng)力小于0.5 MPa經(jīng)驗(yàn)溫差應(yīng)力,結(jié)構(gòu)偏于安全;(2)主應(yīng)力值、抗裂安全系數(shù)和強(qiáng)度安全系數(shù)三者基本一致?？梢缘贸鲈谌鄙賹?shí)際觀測(cè)資料的情況下,采用本文建議的修正豎向溫差模式進(jìn)行箱梁溫度應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算,可以確保結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

(1)豎向溫度計(jì)算模式不同國(guó)家規(guī)范之間有較大差異,對(duì)是否考慮梁底溫差和降溫溫差也有不同規(guī)定,我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定的溫差荷載對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段受力影響相對(duì)較大。

(2)我國(guó)現(xiàn)行鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范給出的箱形截面梁日照溫差分布圖,應(yīng)用于我國(guó)客運(yùn)專線無(wú)砟軌道橋面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱形橋梁設(shè)計(jì)時(shí),其豎向溫差模式與實(shí)際不符。

(3)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,溫差荷載在主梁上緣引起較大的應(yīng)力,它與混凝土張拉預(yù)應(yīng)力筋引起的二次應(yīng)力相組合,將產(chǎn)生較大的應(yīng)力,將降低主梁截面的抗裂性能,增大預(yù)應(yīng)力的應(yīng)力損失,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以高度重視。

(4)在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)根據(jù)橋梁所處的環(huán)境選取適當(dāng)?shù)臏夭詈奢d進(jìn)行計(jì)算,必要時(shí)須通過(guò)實(shí)驗(yàn)合理選擇溫差計(jì)算模式。分析表明,本文提出的修正豎向溫度模式可以對(duì)我國(guó)客運(yùn)專線橋梁計(jì)算提供參考和借鑒。

[1] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TBl0002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社,2005.

[2] 姚君芳,孫大斌.鐵路斜腹板簡(jiǎn)支箱梁溫度應(yīng)力計(jì)算方法研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2014(8):109-114.

[3] AASHTO(1994版)美國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 徐豐.混凝土箱梁橋溫度效應(yīng)關(guān)鍵因素研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2009.

[5] 劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析[J].北京:人民交通出版社,1991.

[6] 王林,項(xiàng)貽強(qiáng),汪勁豐,等.各國(guó)規(guī)范關(guān)于混凝土箱梁橋溫度應(yīng)力計(jì)算的分析與比較[J].公路,2004(6):76-79.

[7] 郭瑞軍.非線性日照溫度下連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度應(yīng)力分析[J].公路,2013(12):67-72.

[8] 楊佐,趙勇,蘇小卒.國(guó)內(nèi)外規(guī)范的混凝土橋梁截面豎向溫度梯度模式比較[J].結(jié)構(gòu)工程師,2010(1):37-43.

[9] 李春早.大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的溫度場(chǎng)分析及溫度荷載影響下的箱梁截面形式分析[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2010.

[10]李全林.日照下混凝土箱梁溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力研究[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2004.

[11]宋志文.高性能混凝土箱梁日照溫度場(chǎng)與溫度效應(yīng)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2010.

Approach to Vertical Temperature Difference Value for Continuous Box Girders on Passenger Dedicated Lines

KOU Yan-chun
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,LTD.,Wuhan 430063,China)

To understand the impact of the vertical temperature difference load of box girders on passenger dedicated lines on the structure,four distinct bridge specifications from United States,United Kingdom,Japan and China are compared and analyzed in terms of nonlinear sunshine temperature curve, and the temperature stress of the structure section at different nonlinear sunshine temperatures is calculated respectively for different specifications with reference to 3-span variable cross-section continuous box beam.The results show that temperature difference load as stipulated in Chinese specification brings about more effect on the structure.In view of the actual conditions of the bridges on dedicated passenger lines,and reduction effects of track structure on bridge deck temperature,the selection of vertical temperature differences of box girder bridges on passenger dedicated lines is recommended.

Passenger dedicated railway line;Continuous box girder;Temperature difference load; Railway specification;Structure analysis

U238;U441+.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.018

1004-2954(2014)12-0071-05

2014-08-07;

2014-08-22

寇延春(1973—),女,高級(jí)工程師,1995年畢業(yè)華中科技大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:2005wangdz@163.com。