李云虎 潘怡宏 熊誠

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北武漢 430000)

溫度荷載對預(yù)應(yīng)力箱梁影響的分析與研究

李云虎 潘怡宏 熊誠

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,湖北武漢 430000)

由于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁長期暴露在室外,所以內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的非線性溫度場。溫度場由于其直接作用于混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁的材料產(chǎn)生應(yīng)變,所以直接影響到混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁的耐久性以及其可靠性。在施工中經(jīng)常可以見到設(shè)計(jì)完美的一些橋梁由于溫度應(yīng)變導(dǎo)致梁板開裂,降低功用。本文通過具體試驗(yàn)以及運(yùn)用計(jì)算機(jī)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析在溫度荷載條件下混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁的耐久性與可靠性。得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)在溫度荷載條件下,混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁會(huì)受到哪幾個(gè)方面的應(yīng)力。(2)在溫度荷載條件下,混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁會(huì)受到哪幾個(gè)方向的位移。

混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁 溫度荷載 應(yīng)力 撓度

1 概述

1.1 研究背景及意義

進(jìn)入20世紀(jì)以后，大量的預(yù)應(yīng)力構(gòu)件快速發(fā)展。其中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁由于其獨(dú)特的機(jī)構(gòu)形式和良好的力學(xué)特性被廣泛運(yùn)用于橋梁建設(shè)中。特別是近些年來，國內(nèi)外跨度超過60m的橋梁一般都采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型梁。比如武漢長江二橋與鄭州黃河二橋均采用的是混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁構(gòu)造。但是，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁橋也存在著一定的問題:

(1)隨著時(shí)間的推移，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁橋會(huì)產(chǎn)生較大的撓度，并隨著時(shí)間的增長產(chǎn)生變化；

(2)混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁撓度較大。在使用過程中要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)撓度值。

1.2 研究現(xiàn)狀

國外[1]自二十世紀(jì)五十年代便開始了關(guān)于溫度荷載對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁的影響的課題研究。隨著一部分由于溫度荷載導(dǎo)致的橋梁損毀以及垮塌的事故的發(fā)生，國外學(xué)者開始大量研究溫度荷載對混凝土預(yù)應(yīng)力箱梁影響的課題研究。

我國則是從上世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行這類研究的。近幾十年來由于此類事故大量發(fā)生，我國開始加緊對此類問題的研究?，F(xiàn)今階段鐵道部科學(xué)院[2]對此類問題研究成果較多。但是也是主要從具體橋梁事故以及案例中分析原因與形成機(jī)理的。

2 混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁溫度荷載種類

混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁主要的溫度荷載來自于長時(shí)間的陽光照射，由于陽光直射導(dǎo)致箱型梁內(nèi)部產(chǎn)生溫度場，從而導(dǎo)致箱型梁產(chǎn)生一部分溫度荷載，最后產(chǎn)生位移以及撓度變化。溫度應(yīng)力由于其形成方式不同與其結(jié)構(gòu)形式不同最終會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生不同的效應(yīng)即溫度應(yīng)力與溫度次應(yīng)力。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)時(shí)，溫度荷載會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度次應(yīng)力，也稱之為溫度約束應(yīng)力。一般靜定結(jié)構(gòu)會(huì)使橋梁產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

溫度作用的類型主要分為三種:日照溫度變化作用、年度溫度變化作用、氣候驟變溫度變化作用。由于混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁內(nèi)部溫度變化較為緩慢。所以，溫度變化比較復(fù)雜[3]。對于混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁溫度荷載的影響要從三個(gè)方面逐個(gè)分析。

2.1 日溫度變化作用

日溫度變化作用主要影響部位有:頂板、腹板。隨著陽光照射，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁頂板以及腹板溫度有較為明顯的升高，但是混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁內(nèi)部溫度基本保持恒定，變化較小。根據(jù)對武漢長江二橋的實(shí)時(shí)監(jiān)測，只有每小時(shí)一攝氏度的溫度變化。這種變化導(dǎo)致混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁自身產(chǎn)生較大的溫度梯度。而且隨著外部環(huán)境的不同變化，溫度變化也較為復(fù)雜，并無法擬合成為函數(shù)曲線。

2.2 年溫度變化作用

隨著一年四季的變化，春夏秋冬周而復(fù)始，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁的溫度變化也呈現(xiàn)一種變化。這種變化比較緩慢，效果比較不明顯。所以這種變化模式是一種長期的、緩慢的變化。

2.3 氣候驟變溫度變化作用

隨著當(dāng)今氣候污染嚴(yán)重，大量極端氣候的出現(xiàn)。氣候驟變溫度變化作用逐漸成為混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁受到溫度效應(yīng)破壞的主要作用之一。氣候驟變溫度變化效應(yīng)雖然在溫度變化上要小于日溫度變化作用，但由于其作用時(shí)間短，作用時(shí)間突然所以危害較大。

3 溫度荷載對預(yù)應(yīng)力箱梁影響分析

3.1 混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁溫度場選定及其效應(yīng)分析

3.1.1 溫度場的選定

隨著大跨徑橋梁的發(fā)展，溫度應(yīng)力逐漸得到重視。但是對于溫度應(yīng)力的研究取決于溫度場的選定。由于溫度場形式多樣，變化形式不同所以選定溫度場極其關(guān)鍵。通過對湖北武漢長江二橋進(jìn)行監(jiān)測，我們可以選定相應(yīng)的溫度場，也就是混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁隨溫度變化自身溫度實(shí)際變化形式。

3.1.2 混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁橫向溫度效應(yīng)

根據(jù)選定的溫度場我們對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁橫向溫度效應(yīng)進(jìn)行研究得到了以下結(jié)論:

隨著溫度不斷增加，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁頂板的溫度會(huì)不停的增加。頂板中點(diǎn)以及翼板溫度增加最快。腹板上方頂板溫度增加較慢。從而導(dǎo)致橫向溫差的產(chǎn)生，并隨著溫度的增加逐漸增加。

3.1.3 混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁溫度效應(yīng)結(jié)論

通過運(yùn)用多光點(diǎn)人工控制的方法調(diào)整光源照射角度以及光點(diǎn)工作功率的方法對試驗(yàn)梁進(jìn)行溫度場模擬，使之與選定的溫度場呈現(xiàn)相同的變化趨勢。在形成溫度場的過程中對試驗(yàn)梁各個(gè)截面的撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并通過附著式應(yīng)變片測定試驗(yàn)梁的橫向應(yīng)變大小。

通過具體檢測數(shù)據(jù)以及實(shí)際施工中經(jīng)驗(yàn)總結(jié)我們可以得到發(fā)現(xiàn):

(1)隨著溫度的增加，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁跨中以及支座處截面會(huì)隨著溫度的變化加速上撓。這種變形會(huì)直接導(dǎo)致混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁變形增大。

(2)混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁產(chǎn)生較大了較大的橫向壓應(yīng)變。

3.2 溫差重復(fù)作用對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁效應(yīng)研究

在箱梁澆筑結(jié)束后31天內(nèi)開始施加預(yù)應(yīng)力，待預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束后對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁進(jìn)行現(xiàn)場測定。測定結(jié)果顯示，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁整體截面呈現(xiàn)受拉狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力施加結(jié)束后，運(yùn)用多光點(diǎn)光源對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁進(jìn)行直接照射。通過光照模擬日照對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁溫度變化作用。通過半小時(shí)升溫，半小時(shí)降溫的措施模擬溫差重復(fù)作用。每天七次，進(jìn)行周期為一個(gè)月。并對每次升溫至最高溫度時(shí)混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁的應(yīng)變以及位移進(jìn)行測定。試驗(yàn)結(jié)束后對測定的數(shù)據(jù)運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行擬合。

通過與軟件模擬[4]的結(jié)果對比，結(jié)果基本一致。由此對混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁再重復(fù)溫度作用下的效果，我們可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)隨著溫度差的不斷變化混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁除了支座處以外，各個(gè)截面均產(chǎn)生了巨大的變化。各個(gè)截面的撓度不斷大量地增加，跨中截面撓度變化最為明顯。

(2)溫度變化趨勢越大，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁撓度變化也越大。溫度變化趨勢越小，無論溫度高低，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁撓度變化趨勢較小。

(3)由于溫度變化的不均等性，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁會(huì)產(chǎn)生一定的差應(yīng)變。

4 結(jié)論以及發(fā)展趨勢

本文通過對長江二橋的具體檢測與運(yùn)用軟件分析得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)日照溫度變化對長江二橋混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁的影響主要特性。即溫差沿著混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁腹板自上而下產(chǎn)生非線性變化。當(dāng)以最低溫度為基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，實(shí)測溫差變化曲線與我國規(guī)范規(guī)定值基本一致。

(2)混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁在溫度上升過程中，會(huì)產(chǎn)生向上的撓度。并且隨著溫度的上升，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁跨中部位的撓度變化速度逐漸大于其他部位。在腹板中部會(huì)產(chǎn)生最大縱向拉應(yīng)力。

(3)日照溫度產(chǎn)生的溫度差不斷作用在混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁上，混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁各個(gè)板面的溫度變化不同，產(chǎn)生的應(yīng)變也不一致。長期的溫度效應(yīng)反復(fù)作用會(huì)導(dǎo)致混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁底板的不均勻收縮，促使混凝土預(yù)應(yīng)力箱型梁的撓度增大。

[1] Jamal A．Almudaiheem,Will Haseen．Effect of Specimen Size and Shape on Drying Shrinkage of Concrete[J].ACIMa2 terials Journal,1987,(2):130-135．

[2] 謝峻,王國亮,鄭曉華.大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋長期下?lián)蠁栴}的研究現(xiàn)狀[J].公路交通科技,2007,1(1):47—50．

[3] 盛洪飛.混凝土箱形截面橋梁日照溫度應(yīng)力簡化計(jì)算[J].哈爾濱建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),1992,25(1):32—39．

[4] 邵旭東,李立峰,鮑衛(wèi)剛.砼箱形梁橫向溫度應(yīng)力計(jì)算分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2000(4)．