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        溫度梯度對(duì)大跨徑混凝土連續(xù)梁橋的影響分析

        2016-12-09 01:53:28彭放枚
        西部交通科技 2016年9期
        關(guān)鍵詞:溫度梯度跨徑橋面

        侯 攀,彭放枚

        (1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,廣西 南寧 530029;2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530003)

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        溫度梯度對(duì)大跨徑混凝土連續(xù)梁橋的影響分析

        侯 攀1,彭放枚2

        (1.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,廣西 南寧 530029;2.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530003)

        文章采用中、美、英3國公路橋梁相關(guān)規(guī)范中溫度梯度效應(yīng)的計(jì)算方法,對(duì)不同跨徑的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋進(jìn)行分析和比較,結(jié)果顯示,中國2015規(guī)范溫度梯度效應(yīng)值最大。建議對(duì)采用混凝土橋面鋪裝的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋址處進(jìn)行溫度梯度效應(yīng)實(shí)驗(yàn),以便更加合理地確定溫度梯度值,使得橋梁的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)。

        溫度梯度;橋面鋪裝;大跨徑混凝土連續(xù)梁橋;應(yīng)力;計(jì)算

        0 引言

        縱觀我國公路橋梁規(guī)范中溫度梯度的發(fā)展歷程不難發(fā)現(xiàn),《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 023-85)中較簡(jiǎn)單地采用了均勻的+5 ℃的溫度差,而《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)(以下簡(jiǎn)稱“中國2004規(guī)范”)中則采用了折線形的溫度梯度曲線,并明確了不同結(jié)構(gòu)類型的溫差計(jì)算基數(shù)。在經(jīng)歷了我國大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的飛速發(fā)展后,人們?cè)絹碓缴羁痰卣J(rèn)識(shí)到了溫度梯度效應(yīng)對(duì)于結(jié)構(gòu)安全的影響。最新發(fā)布的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60-2015)(以下簡(jiǎn)稱“中國2015規(guī)范”)對(duì)豎向溫度梯度的運(yùn)用更加明確,對(duì)豎向梯度溫度曲線最高值T1的確定也有了更加確切的解釋,同時(shí),中國2015規(guī)范引進(jìn)了橫向溫度梯度效應(yīng)及施工階段瀝青攤鋪引起的溫度影響。各國的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范也對(duì)溫度梯度作出了規(guī)定,但由于材料特點(diǎn)及環(huán)境特點(diǎn)的差別,各國的溫度梯度模式也不盡相同,因此,仍然需要大量的研究工作來分析溫度梯度在橋梁實(shí)際運(yùn)營中產(chǎn)生的效應(yīng)。本文以兩座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁為工程背景,采用不同規(guī)范的溫度梯度模型計(jì)算梯度效應(yīng)并進(jìn)行比對(duì)分析,為今后同類橋型的設(shè)計(jì)與研究提供有意義的參考。

        1 各國對(duì)溫度梯度的規(guī)定

        本文選擇對(duì)同樣采用折線模式的中國2015規(guī)范、英國BS5400規(guī)范及AASHTO規(guī)范進(jìn)行比較,圖1~3分別為各國規(guī)范采用的計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度效應(yīng)的模式,根據(jù)橋面鋪裝類型及鋪裝層厚度的不同,表1~3給出了各國規(guī)范中各折線點(diǎn)出的溫度值。

        圖1 中國2015規(guī)范豎向梯度溫度曲線圖(單位:mm)

        圖2 英國BS5400規(guī)范豎向梯度溫度曲線圖

        圖3 美國AASHTO豎向梯度溫度曲線圖

        結(jié)構(gòu)類型T1(℃)T2(℃)水泥混凝土鋪裝256.750mm瀝青混凝土鋪裝層206.7100mm瀝青混凝土鋪裝層145.5

        表2 豎向日照正溫差計(jì)算的溫度基數(shù)表(BS5400)

        表3 AASHTO規(guī)范豎向日照溫差計(jì)算的溫度基數(shù)表

        2 計(jì)算模型及結(jié)果分析

        2.1 工程背景

        根據(jù)各國規(guī)范對(duì)溫度梯度的規(guī)定,本文選取兩座大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁作為研究對(duì)象。

        工程背景一:主橋上部結(jié)構(gòu)采用(60+100+100+60)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,混凝土標(biāo)號(hào)為C55,梁中心高度為5.60~2.50 m。主橋總體布置圖及橫斷面示意圖如圖4~5所示。

        圖4 工程一主橋總體布置示意圖(單位:cm)

        圖5 工程一主梁橫斷面示意圖(單位:cm)

        工程背景二:主橋上部結(jié)構(gòu)采用(75+140+75)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,混凝土標(biāo)號(hào)為C55,梁中心高度為8.0~3.0 m,主橋總體布置圖及橫斷面示意圖如圖6~7所示。

        圖6 工程二主橋總體布置示意圖(單位:cm)

        圖7 工程二主梁橫斷面示意圖(單位:cm)

        2.2 計(jì)算模型

        計(jì)算采用平面有限元理論建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)構(gòu)離散圖如圖8~9所示。

        圖8 工程一結(jié)構(gòu)離散圖

        圖9 工程二結(jié)構(gòu)離散圖

        2.3 溫度梯度效應(yīng)計(jì)算結(jié)果

        計(jì)算過程中溫度梯度分別采用各國規(guī)范的溫度梯度模型進(jìn)行組合計(jì)算。橋面鋪裝厚度均按100 mm計(jì)算,美國AASHTO規(guī)范則按2區(qū)的梯度值計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

        表4 溫度梯度效應(yīng)比較表(標(biāo)準(zhǔn)值) (MPa)

        注:表格中“+”表示拉應(yīng)力,“-”表示壓應(yīng)力

        由表4計(jì)算結(jié)果可知:(1)對(duì)于不同跨徑的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的正溫差效應(yīng),AASHTO與中國2015規(guī)范混凝土鋪裝的效應(yīng)值最大,中國2015規(guī)范瀝青混凝土鋪裝的效應(yīng)值次之,BS5400規(guī)范其效應(yīng)值最小。

        (2)對(duì)于不同跨徑的大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁的負(fù)溫差效應(yīng),中國2015規(guī)范混凝土鋪裝的效應(yīng)值最大,中國2015規(guī)范瀝青鋪裝與AASHTO規(guī)范混凝土鋪裝的效應(yīng)值相當(dāng),BS5400規(guī)范負(fù)溫差效應(yīng)在主梁上下產(chǎn)生較均勻的拉應(yīng)力,AASHTO規(guī)范瀝青混凝土鋪裝效應(yīng)值最小。

        2.4 溫度梯度效應(yīng)在結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中的影響分析

        中國2015規(guī)范中規(guī)定,進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)取1.4,組合值系數(shù)取0.75。進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),汽車效應(yīng)的頻率值系數(shù)取0.7,溫度梯度作用的頻遇值系數(shù)及準(zhǔn)永久值系統(tǒng)取0.8。進(jìn)行彈性階段截面應(yīng)力計(jì)算時(shí)(使用階段壓應(yīng)力驗(yàn)算),除特別指明外,各作用應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值,作用分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取為1.0,各項(xiàng)應(yīng)力極限值應(yīng)按各設(shè)計(jì)規(guī)范固定采用[1]。

        圖10 工程一使用階段正截面上緣壓應(yīng)力曲線圖

        單元標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力值梯度升溫應(yīng)力值比例汽車荷載應(yīng)力值比例76-17.80-8.2146.12%-2.7415.39%77-18.60-8.2544.35%-2.6013.98%78-18.30-8.2344.97%-2.3412.79%79-18.40-8.2044.57%-2.0210.98%

        圖11 工程二使用階段正截面上緣壓應(yīng)力曲線圖

        單元號(hào)標(biāo)準(zhǔn)組合應(yīng)力值梯度升溫應(yīng)力值比例汽車荷載應(yīng)力值比例44-18.80-8.3144%-2.4113%45-19.20-8.2943%-2.3512%46-19.70-8.2642%-2.1811%47-19.50-8.2742%-2.0110%

        根據(jù)圖10~11及表5~6可知,采用混凝土橋面鋪裝時(shí),使用階段正截面上緣壓應(yīng)力值超過規(guī)范值17.75 MPa[4],其中梯度升溫效應(yīng)貢獻(xiàn)了約45%的壓應(yīng)力值,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過汽車荷載引起的效應(yīng)值。混凝土橋面鋪裝溫度梯度效應(yīng)在主梁下緣引起約2.2 MPa拉應(yīng)力,略小于汽車荷載引起的拉應(yīng)力值3.6~4.1 MPa。

        3 結(jié)語

        通過對(duì)各國規(guī)范進(jìn)行比較分析,可以得出如下結(jié)論:

        (1)對(duì)于混凝土橋面鋪裝,中國2015規(guī)范規(guī)定的溫度梯度效應(yīng)值最大,英國規(guī)范效應(yīng)值最小。

        (2)中國2015規(guī)范的混凝土橋面鋪裝溫度梯度產(chǎn)生的壓應(yīng)力約為瀝青鋪裝效應(yīng)的2倍。

        (3)溫度梯度引起的主梁截面上緣壓應(yīng)力值比汽車荷載大,引起的主梁截面下緣拉應(yīng)力值比汽車荷載略小。

        (4)根據(jù)分析結(jié)果可知,汽車效應(yīng)與橋梁跨徑及車道數(shù)量相關(guān),溫度梯度效應(yīng)主要與主梁截面尺寸相關(guān)。

        (5)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí),若按照中國2015規(guī)范及美國AASHTO規(guī)范二區(qū)的規(guī)定考慮溫度梯度,使用階段正截面壓應(yīng)力較大,設(shè)計(jì)主梁混凝土則需采用比英國規(guī)范抗壓強(qiáng)度更高的主梁混凝土。

        (6)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁采用混凝土橋面鋪裝設(shè)計(jì)時(shí),溫度梯度荷載產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,該拉應(yīng)力直接影響主梁截面的抗裂性能。

        (7)在大跨度橋梁的設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)充分考慮橋面鋪裝對(duì)溫度梯度的影響,必要時(shí)可進(jìn)行橋址處溫度梯度試驗(yàn)來確定合適的特征值,選擇合適的溫度梯度模式,避免浪費(fèi)材料,使得橋梁的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

        [1]JTG D60-2015,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

        [2]BS5400 Steel concrete and composite bridge.part2:specification for loads[S].Lindon:British Standards Institution,1990.

        [3]AASHTO LRFD Bridge design Specifications[S].SI Units Third Edition,2004.

        [4]JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        Analysis on the Effect of Temperature Gradient on Large-span Continuous Girder Bridge

        HOU Pan1,PENG Fang-mei2

        (1.Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute,Nanning,Guangxi,530029;2.Guangxi Polytechnic of Construction,Nanning,Guangxi,530003)

        Using the calculation method for temperature gradient effect in relevant highway bridge spec-ifications in China,USA and UK,this article analyzed and compared the large-span prestressed con-crete continuous box-girder bridges with different spans,the results showed that China’s 2015 specifi-cation has the maximum temperature gradient effect value.It is recommended to conduct the tempera-ture gradient effect experiment at the place of large-span prestressed concrete continuous box-girder bridge adopting the concrete deck laying,so as to determine a more reasonable temperature gradient so that the bridge design can be more economical.

        Temperature gradient;Bridge deck laying;Large-span concrete continuous girder bridge;Stress;Computing

        U448.21+5

        A

        10.13282/j.cnki.wccst.2016.09.017

        1673-4874(2016)09-0064-04

        2016-04-20

        侯 攀(1987—),工程師,研究方向:橋梁檢測(cè)及加固;

        彭放枚(1987—),講師,研究方向:路橋和鐵道專業(yè)高職教育。

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