張廣達(dá), 武慶祥, 龍佩恒

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044)

Zhang Guangda, Wu Qingxiang, Long Peiheng

(School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

新舊公路橋涵規(guī)范梯度溫度對(duì)箱梁影響

張廣達(dá), 武慶祥, 龍佩恒

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD60—2004》對(duì)《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JTJ023—85》中的梯度溫度進(jìn)行完善. 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD60—2015》增加了有關(guān)橫向溫度梯度作用的規(guī)定. 為研究新舊規(guī)范梯度溫度對(duì)寬箱梁結(jié)構(gòu)的影響，以一座3跨連續(xù)寬箱梁為例，采用ANSYS13.0有限元分析軟件為計(jì)算工具，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析. 計(jì)算結(jié)果顯示：2004年規(guī)范和2015年規(guī)范定義的梯度溫度對(duì)結(jié)構(gòu)影響規(guī)律基本相同；2004年規(guī)范和2015年規(guī)范較1985年規(guī)范溫度效應(yīng)差異較大；2015年規(guī)范較其他規(guī)范對(duì)箱梁底板影響差異比頂板影響差異大.

新舊設(shè)計(jì)規(guī)范； 混凝土箱梁； 梯度溫度； 溫度荷載； 應(yīng)力分析

Zhang Guangda, Wu Qingxiang, Long Peiheng

(School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture，Beijing 100044)

近年來，國民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，交通量日益增加，公路橋梁承擔(dān)交通運(yùn)輸任務(wù)逐漸加重. 因此橋梁安全也成為人們重點(diǎn)關(guān)注的課題. 公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的不斷更新，也是對(duì)荷載等級(jí)的不斷完善，對(duì)加載模式的合理性不斷探究. 比如溫度梯度效應(yīng)就在規(guī)范更迭過程中經(jīng)過三次重大改動(dòng)，每種梯度溫度模式下，橋梁溫度效應(yīng)之間的差異，值得我們進(jìn)行深入探究.

周凱[1]通過研究混凝土拱橋在新舊荷載公路橋涵規(guī)范下荷載效應(yīng)差異，提出新規(guī)范非線性的溫差取值較舊規(guī)范偏于安全. 魏霞[2]在討論新舊規(guī)范梯度溫度荷載對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)受力時(shí)提出，《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD60—2004》(以下簡稱《2004規(guī)范》)中的梯度溫度荷載較《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JTJ023—85》(以下簡稱《1985規(guī)范》)對(duì)結(jié)構(gòu)使用階段受力影響較大. 王林[3]對(duì)比箱梁在各種梯度溫度荷載下的應(yīng)力計(jì)算分析.

2015年推出的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范JTGD60—2015》(以下簡稱《2015規(guī)范》)，較《2004規(guī)范》對(duì)結(jié)構(gòu)影響差異不得而知. 本文主要通過對(duì)比結(jié)構(gòu)在《1985規(guī)范》、《2004規(guī)范》和《2015規(guī)范》不同梯度溫度荷載模式的受力分析結(jié)果，研究新舊規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的影響差異.

1 梯度溫度

20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者均發(fā)現(xiàn)混凝土的開裂多因溫度引起. 《1985規(guī)范》規(guī)定：混凝土連續(xù)梁的日照引起的橋面板與其他部分的溫度差將在梁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力，在缺乏資料時(shí)，可假定該溫度差為+5 ℃[4]，采用的梯度溫度形式如圖1所示. 但是在長時(shí)間的實(shí)踐過程中，人們發(fā)現(xiàn)《1985規(guī)范》中規(guī)定的梯度溫度與實(shí)際情況不符. 隨著對(duì)橋梁工程的不斷認(rèn)識(shí)和現(xiàn)代交通的錯(cuò)綜復(fù)雜，《1985規(guī)范》已經(jīng)不能滿足橋梁的相關(guān)設(shè)計(jì)要求.

隨著《1985規(guī)范》退出歷史舞臺(tái)，2004年頒布的新的《2004規(guī)范》重新對(duì)梯度溫度荷載進(jìn)行定義，采用的梯度溫度形式如圖2所示[5]. 其橋面板表面的最高溫度T1規(guī)定見表1. 對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)，當(dāng)梁高H小于400 mm時(shí)，圖中A=H-100(mm)；梁高H等于或大于400 mm時(shí)，A=300 mm. 對(duì)于帶混凝土橋面板的鋼結(jié)構(gòu)，A=300 mm，t為混凝土橋面板的厚度.

表1 豎向梯度溫度取值

經(jīng)過11年的不斷實(shí)踐，我國學(xué)者發(fā)現(xiàn)《2004規(guī)范》對(duì)溫度梯度的定義并不是十分完善. 于是2015年頒布的《2015規(guī)范》在《2004規(guī)范》的基礎(chǔ)上，修訂增加橫向溫度梯度作用的有關(guān)規(guī)定“無懸臂的寬幅箱梁，宜考慮橫向溫度梯度引起的效應(yīng)[6]”，豎向梯度溫度依舊延續(xù)《2004規(guī)范》的定義，橫向梯度溫度采用的梯度溫度形式如圖3所示. 圖中B1為邊箱寬度，B為箱梁半寬.

橫向梯度溫度作用一般根據(jù)橋梁的地理位置、環(huán)境條件等因素經(jīng)調(diào)查研究確定；無實(shí)測溫度數(shù)據(jù)時(shí)，橫向梯度溫度取值見表2.

表2 橫向梯度溫度取值

2 計(jì)算模型簡介

本文以深圳機(jī)場項(xiàng)目中一聯(lián)(30+35+30)m三跨等高混凝土連續(xù)梁橋作為算例. 該橋?yàn)闄M向等寬箱梁，三跨均為單箱五室截面. 箱梁頂板寬度為25 m，厚度為0.37 m. 底板寬為20.44 m，厚度為0.3 m. 兩側(cè)懸臂長2 m，梁高2 m. 具體截面尺寸見圖4.

借助ANSYS13.0有限元分析軟件，建立有限元模型. 本模型中采用C50混凝土，彈性模量Ec=3.45×104MPa，混凝土質(zhì)量密度為ρ=2 600 kg/m3，泊松比υ=0.3. 橋梁結(jié)構(gòu)中，都含有一定數(shù)量的鋼筋. 由于鋼筋所占的體積相比混凝土所占的體積要小的多，為了簡化問題，一般可以將鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)近似的當(dāng)成均質(zhì)且各向同性的材料，并且忽略鋼筋的影響. 本文中混凝土采用solid65實(shí)體單元, 采用映射網(wǎng)格劃分單元，整個(gè)梁體劃分單元為六面體，每個(gè)單元均由8個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成. 模型共劃分887 480個(gè)單元，1 116 150個(gè)節(jié)點(diǎn). 中間一處支座采用三向鉸接，即Ux、Uy、Uz三方向約束；其余各處均約束Uy方向. 箱梁溫度應(yīng)力分析的有限元模型如圖5所示.

3 溫度應(yīng)力分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

分別采用《1985規(guī)范》、《2004規(guī)范》和《2015規(guī)范》對(duì)溫度梯度規(guī)定的加載模式計(jì)算橋梁溫度應(yīng)力，《1985規(guī)范》梯度溫度下橋梁橫向應(yīng)力云圖如圖6、圖7所示；《2004規(guī)范》梯度溫度下橋梁橫向應(yīng)力云圖如圖8、圖9所示；《2015規(guī)范》梯度溫度下橋梁橫向應(yīng)力云圖如圖10、圖11所示.

3.2 計(jì)算結(jié)果的分析對(duì)比

分別提取混凝土箱梁邊、中跨L/4、L/2、L3/4位置，沿橋?qū)挿较蝽敯濉⒌装鍣M向應(yīng)力，《1985規(guī)范》、《2004規(guī)范》和《2015規(guī)范》的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖12～圖23所示(0點(diǎn)位置為降溫側(cè)). 在以下分析中，L為計(jì)算跨徑，B為箱梁頂板或底板寬度，并規(guī)定拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù).

3.2.1 邊跨應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

混凝土箱梁邊跨L/4位置處頂、底板按照新舊規(guī)范定義的梯度溫度分別加載后的橫向應(yīng)力曲線如圖12、圖13所示.

由圖12可以看出，新舊規(guī)范加載梯度溫度在邊跨L/4處頂板的橫向應(yīng)力曲線關(guān)于B/2位置大體對(duì)稱分布，且壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在3B/8、5B/8位置；《2004規(guī)范》、《2015規(guī)范》產(chǎn)生橫向應(yīng)力值差異較小，最大差值0.31 MPa，但較《1985規(guī)范》差異大，最大差值分別為7.5 MPa和7.19 MPa. 由圖13可以看出按不同規(guī)范加載溫度梯度在邊跨L/4處底板的橫向應(yīng)力曲線趨勢大致相同，由于橫向梯度溫度作用，《2015規(guī)范》應(yīng)力曲線關(guān)于B/2位置呈現(xiàn)不對(duì)稱分布；《2004規(guī)范》較《1985規(guī)范》7B/8處應(yīng)力值降低0.08 MPa；《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》升溫一側(cè)(7B/8)，應(yīng)力下降0.01 MPa，降低10%；降溫一側(cè)(B/8)，應(yīng)力下降0.03 MPa，降低30%.

混凝土箱梁邊跨L/2位置處頂、底板按照新舊規(guī)范定義的梯度溫度分別加載后的橫向應(yīng)力曲線如圖14、圖15所示.

由圖14可以看出，《2004規(guī)范》、《2015規(guī)范》在邊跨L/2位置頂板產(chǎn)生橫向應(yīng)力值差異很小，最大差值0.05 MPa，但較《1985規(guī)范》差異大，最大差值分別為7.06 MPa和7.01 MPa. 由圖15可以看出《2004規(guī)范》較《1985規(guī)范》7B/8處應(yīng)力值降低0.12 MPa；由于橫向溫度梯度作用，《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》升溫一側(cè)(7B/8)，應(yīng)力升高0.05 MPa，升高26.3%；降溫一側(cè)(B/8)，應(yīng)力下降0.06 MPa，降低31.6%.

混凝土箱梁邊跨3L/4位置處頂、底板按照新舊規(guī)范定義的梯度溫度分別加載后的橫向應(yīng)力曲線如圖16、圖17所示.

由圖16可以看出，新舊規(guī)范加載梯度溫度在邊跨3L/4頂板處橫向應(yīng)力曲線分布規(guī)律同L/4處相同，且壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在3B/8、5B/8位置；《2004規(guī)范》、《2015規(guī)范》產(chǎn)生橫向應(yīng)力值差異較小，最大差值0.3 MPa，但較《1985規(guī)范》差異大，最大差值分別為7.21 MPa和7.19 MPa. 由圖17可以看出《2004規(guī)范》較《1985規(guī)范》7B/8處應(yīng)力值降低0.11 MPa；由于橫向溫度梯度作用，《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》升溫一側(cè)(7B/8)，應(yīng)力降低0.01 MPa，降低26.3%；降溫一側(cè)(B/8)，應(yīng)力下降0.04 MPa，降低200%.

從以上分析可以看出，由于《1985規(guī)范》對(duì)豎向溫度梯度定義是頂板整體升溫5 ℃，而《2004規(guī)范》和《2015規(guī)范》提出了更貼合實(shí)際的隨高度逐漸遞減的溫度梯度(圖2所示)，因此對(duì)于邊跨頂板位置，按《1985規(guī)范》加載得到應(yīng)力較《2004規(guī)范》和《2015規(guī)范》加載得到應(yīng)力值偏小，按《1985規(guī)范》設(shè)計(jì)偏于不安全；對(duì)于寬箱梁而言，《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》增加了橫向溫度梯度，因此對(duì)于邊跨底板，按《2015規(guī)范》加載得到壓應(yīng)力較《2004規(guī)范》加載增幅較大，而拉應(yīng)力相差較小，因此對(duì)于寬箱梁，按照《2015規(guī)范》進(jìn)行溫度設(shè)計(jì)偏于安全.

3.2.2 中跨應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

混凝土箱梁中跨L/4、L/2、3L/4位置處頂、底板按照新舊規(guī)范定義的梯度溫度分別加載后的橫向應(yīng)力曲線如圖18～圖23所示.

由圖18、圖20和圖22可以看出，《2015規(guī)范》和《2004規(guī)范》在中跨頂板位置橫向應(yīng)力曲線基本吻合，差值很小；《2004規(guī)范》、《2015規(guī)范》較《1985規(guī)范》中跨L/2位置頂板橫向應(yīng)力最大差值分別為7.01 MPa和7.04 MPa.

由圖19、圖23可以看出，《2015規(guī)范》、《2004規(guī)范》與《1985規(guī)范》在中跨L/4及3L/4處底板橫向應(yīng)力曲線變化規(guī)律基本相同，由于橫向溫度梯度作用《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》應(yīng)力值降低，最大降幅26.3%；由圖21結(jié)果顯示《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》在中跨L/2處底板升溫側(cè)(B7/8)應(yīng)力值升高，增幅24%；降溫側(cè)(B/8)應(yīng)力值降低，降幅28%.

從以上分析可以看出，對(duì)于中跨而言，按《1985規(guī)范》、《2004規(guī)范》、《2015規(guī)范》三部規(guī)范定義溫度梯度進(jìn)行加載得到頂、底板橫向應(yīng)力分布規(guī)律與邊跨基本一致，此處不再贅述.

4 結(jié)論

按照《1985規(guī)范》、《2004規(guī)范》和《2015規(guī)范》三部規(guī)范中所定義的梯度溫度荷載模式，計(jì)算并對(duì)比混凝土寬箱梁在不同荷載模式下的溫度效應(yīng)，得出以下結(jié)論：

1) 按新舊規(guī)范加載梯度溫度在頂板處橫向應(yīng)力曲線關(guān)于B/2位置大體對(duì)稱分布，《2015規(guī)范》和《2004規(guī)范》較《1985規(guī)范》橫向壓應(yīng)力值增幅較大，

而《2015規(guī)范》與《2004規(guī)范》橫向應(yīng)力值基本一致，按《1985規(guī)范》進(jìn)行豎向溫度梯度設(shè)計(jì)偏于不安全.

2) 對(duì)于寬箱梁而言，《2015規(guī)范》較《2004規(guī)范》增加了橫向溫度梯度，按《2015規(guī)范》加載得到橫向壓應(yīng)力較《2004規(guī)范》加載得到橫向壓應(yīng)力增幅較大，而橫向拉應(yīng)力相差較小，因此對(duì)于寬箱梁而言，按照《2015規(guī)范》進(jìn)行溫度設(shè)計(jì)偏于安全，且更符合實(shí)際工況.

3) 本文僅針對(duì)連續(xù)梁橋進(jìn)行了不同規(guī)范梯度溫度下橫向應(yīng)力的研究，得出了更貼合實(shí)際的溫度設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于大跨混合梁斜拉橋、懸索橋等復(fù)雜體系橋梁在不同梯度溫度荷載加載下的應(yīng)力分布規(guī)律還需要進(jìn)一步研究.

[1] 周凱. 混凝土拱橋在新舊公路橋涵規(guī)范下荷載效應(yīng)差異的探討[D].南寧：廣西大學(xué),2013

[2] 魏霞,郭峰祥,徐向鋒. 新舊規(guī)范梯度溫度荷載對(duì)箱梁結(jié)構(gòu)受力的影響[J]. 橋梁建設(shè),2010(2):55-57

[3] 王林,項(xiàng)貽強(qiáng),汪勁豐,王建江. 各國規(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

[4] JTJ023—85,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]

[5] JTGD60—2004,公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]

[6] JTGD60—2015,公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S]

[責(zé)任編輯：佟啟巾]

征訂啟事

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Impact of Gradient Temperature Load in Old and New General Code for Design of Highway Bridge and Culverts on Box Girder

The temperature gradient in the 《Specification for Design of Reinforced Concrete and Prestressed Concrete Highway Bridges and Culverts JTJ023—1985》 is improved in 《General Code for Design of Highway Bridge and Culverts JTGD60—2004》. The regulations on the transverse temperature gradient effect are increased in 《General Code for Design of Highway Bridge and Culverts JTGD60—2015》. In order to study the effect of gradient temperature in new and old general code to box girder structure, in this paper, a three span continuous box girder is set as an example, using ANSYS13.0 finite element analysis software as computing tool to analyze temperature stress of the structure. Calculation results show that the regulations of the 2004 Standard and 2015 Standard defined as the gradient temperature on the structure are the same; The temperature effect of 2004 Standard and 2015 Standard has bigger difference than 1985 Standard; The effect on bottom of box girder is far different from the bottom of box girder between 2015 Standard and others.

new and old design specifications; concrete box girder; gradient temperature; temperature load; stress analysis

2016-04-06

國家青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308027)

張廣達(dá)(1989—)，男，碩士研究生，研究方向： 橋梁與隧道工程.

1004-6011(2016)04-0006-07

U441+.5

A