魏孟春，喬建剛，王文欣

(天津市市政工程設(shè)計研究院，天津 300051)

0 引言

隨著大跨徑橋梁的修建，越來越多的橋梁選擇采用鋼箱梁的形式。在鋼箱梁施工過程中，因鋼材導(dǎo)熱性能好，日照產(chǎn)生的梯度溫度作用對鋼箱梁的影響比較顯著。近年來國內(nèi)外學(xué)者針對混凝土箱梁溫度分布及其效應(yīng)做了大量的研究工作。而鋼橋在日照作用下產(chǎn)生顯著的溫度效應(yīng)已得到工程界的普遍重視，亟待深入研究。

我國現(xiàn)行的規(guī)范給出的日照溫度梯度模式是對各國規(guī)范進行對比分析，選擇美國AASHTO 規(guī)范溫度梯度曲線并進行適當(dāng)修改而得到的，且只給出了混凝土梁及帶混凝土橋面板鋼梁的豎向溫度梯度。各國規(guī)范中只有英國規(guī)范BS－5400 對鋼箱梁橋的溫度作用進行了詳細的規(guī)定，因此國內(nèi)一般參照BS－5400 的規(guī)定來考慮鋼箱梁橋的溫度效應(yīng)。英國橋規(guī)(BS－5400)對鋼箱梁溫度梯度的規(guī)定［1］如圖1和表1所示。

表1 BS－5400 中溫度梯度參數(shù)

圖1 BS－5400 中溫度梯度曲線

在實際工程中，特別是施工階段中，由于沒有鋪裝層，鋼箱梁的溫度梯度效應(yīng)更加明顯［2，3］，并對工程施工過程中的安全以及成橋支座反力有很大的影響，國內(nèi)一些學(xué)者通過對鋼橋溫度場的現(xiàn)場監(jiān)控與有限元分析，對公路鋼橋溫度梯度展開了相關(guān)的研究工作并得到了一定的成果［4～9］。

本文根據(jù)某鋼箱梁橋在實際工程中出現(xiàn)的支座脫空現(xiàn)象進行有限元分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行了整理總結(jié)，可以作為鋼箱梁施工設(shè)計的參考。

1 項目背景

本文以一座下跨鐵路的公路鋼箱梁橋為研究對象，該橋為連續(xù)鋼箱梁橋，跨徑布置為(48+61+38)m。鋼箱梁主梁橫截面為單箱三室，橋面板為正交異性板結(jié)構(gòu)，如圖2所示，頂?shù)装鍖挾确謩e為19.8 m 和7 m，梁高3.2 m，底板寬11.25 m，橋面橫坡為2%，兩側(cè)懸臂一側(cè)3.5 m 一側(cè)5 m，每隔3 m設(shè)置一道橫隔板，U 肋上口寬為300 mm，下口寬為180 mm，高260 mm，厚為8 mm，中心距為600 mm。該橋支座為每個墩柱處4 個支座，均在腹板下方布置，現(xiàn)將 16 個支座分別編號為 1 －1～4 －4，具體支座布置與編號如圖3所示。

圖2 鋼箱梁橫斷面(單位:m)

圖3 鋼箱梁支座布置圖

該橋施工方式采用頂推施工，鋼箱梁制作為現(xiàn)場逐段焊接，3 個箱室分別在工廠預(yù)制成9 m 一個的節(jié)段，然后在橋梁施工現(xiàn)場將3 個箱室焊成一個整體之后進行頂推施工。在頂推到位之后，出現(xiàn)了邊墩上的邊支座在晚上脫空的現(xiàn)象，由于支座白天未出現(xiàn)脫空，僅在晚上出現(xiàn)脫空，經(jīng)分析認為是由于溫度梯度引起的鋼箱梁翹曲現(xiàn)象引起的。

該橋為彎鋼箱梁橋，地處北方，施工時為夏季，晝夜溫差較大，為了進一步研究日照溫差對鋼箱梁橋的支反力的影響，建立了較為精細的板單元模型，并對該橋在日照溫度梯度進行了監(jiān)控，根據(jù)實測溫度梯度值計算在實際工程中梯度溫度荷載對支反力的影響。

2 鋼箱梁溫度梯度有限元分析

本文通過有限元軟件MDIAS/FEA 建立了橋梁的板單元有限元模型。鋼箱梁的材料為Q345qENH鋼材，彈性模量取206 GPa，泊松比為0.3，模型共劃分為14 萬個單元，有限元模型如圖4所示。

根據(jù)實測結(jié)果，鋼箱梁在白天處于梯度升溫，晚上處于梯度降溫環(huán)境下，頂板最高溫度出現(xiàn)在下午13:00 左右，豎向溫差為正溫差，為26.6 ℃，即全天截面最大正溫度梯度。頂板最低溫度出現(xiàn)在早晨5:00 左右，豎向溫差為為－2.6 ℃，即全天截面最大負溫差;晴天鋼箱梁截面豎向溫差較大，正溫差出現(xiàn)在06:00～20:00 時，其余時刻鋼箱梁截面為負溫差，實測溫度梯度曲線如圖5所示。

圖4 有限元模型圖

圖5 實測溫度梯度曲線

根據(jù)實測結(jié)果可以看出實測的溫度梯度略小于英國規(guī)范中無鋪裝鋼箱梁的溫度梯度規(guī)定，數(shù)值模型采用實測的溫度梯度對鋼箱梁進行加載，通過計算得到梯度升降溫下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖與支座反力如圖6及表2所示。

由結(jié)果圖表可以看出，在白天梯度升溫晚上梯度降溫的工況下，在僅考慮溫度引起的支座反力的情況下，晚上支座反力會與白天相比會有很大變化:

表2 支座反力表

圖6 支座反力圖

在白天升溫梯度荷載作用下，鋼箱梁在橫向會產(chǎn)生翹曲變形，邊跨邊支座會產(chǎn)生壓力增大;中跨的中支座會產(chǎn)生很大的負支座反力。在晚上梯度降溫荷載作用下，鋼箱梁的邊跨邊支座會產(chǎn)生一定的負支座反力;中跨的中支座會產(chǎn)生較大的正支座反力。由于降溫梯度較小，由梯度降溫引起的支座反力變化較小。

由于該橋為分階段現(xiàn)場焊接頂推施工，通過分析結(jié)果可知若在白天升溫梯度下進行焊接，則在晚上降溫梯度荷載下邊墩的邊支座會發(fā)生翹曲，很可能發(fā)生脫空的現(xiàn)象;而中墩支座的中支座會產(chǎn)生很大的壓力荷載。若是在晚上降溫梯度荷載下進行焊接，則在白天升溫梯度荷載作用下，邊墩支座的邊支座的支座反力會大大增加;而中墩支座的中支座會產(chǎn)生負支座反力，有脫空的可能，而產(chǎn)生正支座反力的支座可能會將支座壓壞，故在施工過程中應(yīng)控制箱梁焊接拼裝時梯度溫度較小。

根據(jù)分析可知，計算結(jié)果與實際工程中發(fā)生在頂推到位之后出現(xiàn)邊墩的邊支座發(fā)生晚上支座脫空，白天支座不脫空的現(xiàn)象相吻合。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于焊接時箱梁處于升溫梯度荷載下，當(dāng)晚上處于降溫梯度下時，箱梁發(fā)生了翹曲從而導(dǎo)致邊墩的邊支座發(fā)生脫空的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

本文通過有限元模型，分析了在實測梯度升溫和梯度降溫對支座反力產(chǎn)的影響。得到了以下結(jié)論:

1)在升溫梯度荷載作用下，鋼箱梁邊跨邊支座支反力增大;中跨的中支座產(chǎn)生較大負支座反力。在梯度降溫荷載作用下，邊跨邊支座產(chǎn)生一定的負支座反力;中跨的中支座支反力增大。

2)在夏季白天梯度升溫，晚上梯度降溫荷載作用下鋼箱梁施工中較容易出現(xiàn)支座脫空與支反力增大。

3)溫度梯度作用下較寬的鋼箱梁會發(fā)生翹曲現(xiàn)象，故在施工過程中，應(yīng)盡量避免在溫度梯度過大的情況下進行焊接拼裝。

［1］BS －5400 －4 －1990，Code of practice for design of concrete bridge［S］.

［2］張玉平，楊 寧，李傳習(xí).無鋪裝層鋼箱梁日照溫度場分析［J］.工程力學(xué)，2011，28(6):156 －162.

［3］李傳習(xí)，楊 寧，張玉平，等.杭州江東大橋鋼箱梁的日照溫度梯度及頂推過程中末段梁的變形［J］.交通科學(xué)與工程，2009，25(1):39 －44.

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［5］孫 君，李愛群，丁幼亮.潤揚長江大橋鋼箱梁的溫度分布監(jiān)測與分析［J］.公路交通科技，2009，26(8):94 －98.

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