李葳

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京100081）

國(guó)內(nèi)外規(guī)范關(guān)于豎向溫度梯度的規(guī)定研究

李葳

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京100081）

豎向溫度梯度對(duì)箱梁的整體、局部受力及變形具有一定影響，但目前大量采用的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在截面構(gòu)造、結(jié)構(gòu)剛度等方面均有較大變動(dòng)，既有針對(duì)無(wú)砟無(wú)枕小型箱梁的溫度場(chǎng)研究成果已不能完全適用。因此，有必要針對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范關(guān)于豎向溫度梯度的規(guī)定進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)比英國(guó)BS5400、美國(guó)AASHTO、德國(guó)DIN 101、新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范和我國(guó)公路、鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于混凝土梁體豎向溫度梯度的規(guī)定，以3m高度的箱梁為例，在不考慮梁體鋪裝層厚度的情況下，對(duì)其豎向正、負(fù)溫度梯度分布進(jìn)行對(duì)比。研究得出：為掌握鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁豎向溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，應(yīng)準(zhǔn)確模擬橋上有砟/無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)箱梁溫度分布的影響，以及根據(jù)不同的階段選取合適的溫度梯度。

橋梁；溫度梯度；設(shè)計(jì)規(guī)范；截面溫差

截至2016年底，我國(guó)時(shí)速200km及以上鐵路橋梁12158座，全長(zhǎng)約為11596.618km，其中預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁、連續(xù)箱梁約占橋梁總延長(zhǎng)的95%以上。環(huán)境溫度將引起橋梁結(jié)構(gòu)脹縮產(chǎn)生變形，當(dāng)變形受到約束時(shí)產(chǎn)生約束應(yīng)力。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)鐵路對(duì)九江長(zhǎng)江大橋引橋40m無(wú)砟無(wú)枕小型箱梁溫度場(chǎng)及其影響開(kāi)展了系列研究[1]，但由于高速鐵路建設(shè)中大量采用的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在截面構(gòu)造、尺寸、橋面軌道布置等方面均有較大變動(dòng)，既有研究成果已不能完全適用。因此，有必要針對(duì)高速鐵路箱梁特征，對(duì)其豎向梯度及效應(yīng)開(kāi)展進(jìn)一步研究。

國(guó)外研究人員針對(duì)不同結(jié)構(gòu)（鋼結(jié)構(gòu)、鋼混組合結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)）、梁型，對(duì)橋梁所處環(huán)境溫度場(chǎng)及梁體內(nèi)部溫度分布開(kāi)展了大量研究，部分國(guó)家對(duì)于梁體表面覆蓋物厚度對(duì)溫差的影響也進(jìn)行了研究，并在規(guī)范中進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。

1 國(guó)外

1.1 英國(guó)BS5400規(guī)范

對(duì)于鋪設(shè)在混凝土梁上的混凝土板或混凝土鋪裝層，英國(guó)BS5400規(guī)范規(guī)定豎向溫度梯度按折線變化，并考慮升降溫變化規(guī)律的不同（見(jiàn)圖1）。BS5400規(guī)范制定時(shí)，考慮了橋面鋪裝厚度的變化對(duì)截面溫差值的影響[2]。圖1中的豎向溫度梯度分布是根據(jù)100mm鋪裝層厚度制定的，對(duì)于不同鋪裝層厚度（梁高≥1.5m），截面各部位溫差取值見(jiàn)表1。

圖1 BS5400規(guī)定的混凝土結(jié)構(gòu)溫度梯度分布圖

表1 不同厚度的鋪裝層情況下截面溫差取值[2] ℃

1.2 美國(guó)AASHTO規(guī)范

美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定的豎向溫度梯度按折線變化（見(jiàn)圖2），正、負(fù)溫度梯度采用相同的變化規(guī)律，僅在溫差取值上有所區(qū)別[3]。規(guī)范根據(jù)不同區(qū)域確定最大溫差（整體將美國(guó)分為4個(gè)區(qū)域），梁體截面最大正溫差為30℃（1區(qū)）；負(fù)溫差值按正溫差的一半考慮。

AASHTO規(guī)范考慮了混凝土表面瀝青層的隔熱作用對(duì)截面溫差的影響（見(jiàn)表2），但同時(shí)指出考慮隔熱作用時(shí)，必須考慮橋梁上部結(jié)構(gòu)施工完成后至瀝青鋪裝前，瀝青鋪裝層狀態(tài)可能發(fā)生的變化影響。

圖2 ASSHTO規(guī)定的混凝土結(jié)構(gòu)正、負(fù)溫度梯度分布圖

表2 不同厚度的瀝青層截面溫差取值[3] ℃

1.3 德國(guó)DIN101規(guī)范

德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN101專(zhuān)業(yè)報(bào)告《橋梁的荷載》規(guī)定，結(jié)構(gòu)構(gòu)件中的溫度場(chǎng)可分解為4個(gè)部分（見(jiàn)圖3），分別為溫度常量部位（a）、橫向線性溫差（b）、豎向線性溫差（c）和非線性溫度分布（d）[4]。規(guī)范指出，計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)時(shí)，不考慮非線性溫差分布。針對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型豎向線性溫差取值見(jiàn)表3。

圖3 DIN101規(guī)定的結(jié)構(gòu)溫度曲線

表3 不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型豎向線性溫差[4] ℃

表3中溫差數(shù)值為帶有50mm厚覆蓋層的公路橋和鐵路橋測(cè)出的，對(duì)于其他厚度需乘以相應(yīng)修正系數(shù)（見(jiàn)表4）。

表4 不同厚度的鋪裝層截面溫差修正系數(shù)[4]

1.4 新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范

新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，梁體頂緣1.2m范圍內(nèi)溫度梯度按5次拋物線變化，底緣0.2m范圍按線形變化[5]（見(jiàn)圖4），梁體頂、底緣與內(nèi)部最大正溫差分別為32.0℃和1.5℃，并考慮橋面瀝青鋪裝層的影響。

圖4 新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的溫度梯度分布圖

2 中國(guó)

2.1 公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范

我國(guó)公路85橋規(guī)規(guī)定，混凝土連續(xù)梁由于日照引起橋面與其他部分的溫度差而產(chǎn)生內(nèi)力，在缺乏實(shí)測(cè)資料時(shí)，可假定溫度差+5℃（橋面板升溫5℃），并在橋面板內(nèi)均勻分布（見(jiàn)圖5（a））[6]。

我國(guó)公路2004橋規(guī)修訂時(shí)，曾分別按照英國(guó)BS5400規(guī)范、美國(guó)AASHTO規(guī)范、新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范、國(guó)內(nèi)鐵路規(guī)范和公路85規(guī)范的豎向溫度梯度進(jìn)行了多座橋梁的應(yīng)力計(jì)算比較，結(jié)果表明按新西蘭和我國(guó)鐵路規(guī)范溫度梯度計(jì)算的溫度效應(yīng)最大，公路85規(guī)范最小[7]，英國(guó)BS5400和美國(guó)AASHTO規(guī)范居中?？紤]到美國(guó)AASHTO規(guī)范的溫度梯度分布相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)采用美國(guó)AASHTO規(guī)范2區(qū)相關(guān)規(guī)定（見(jiàn)圖5（b）），除不考慮梁體底緣溫差外，其余規(guī)定同美國(guó)AASHTO規(guī)范。

圖5 我國(guó)公路規(guī)范規(guī)定的豎向溫度梯度

2.2 鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范

我國(guó)鐵路現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)橋梁采用軌道類(lèi)型的不同（有砟/無(wú)砟）分別規(guī)定：有砟箱梁只考慮沿梁寬方向的溫度梯度；無(wú)砟無(wú)枕箱梁應(yīng)分別考慮沿梁高方向溫度梯度和梁高、梁寬方向組合溫度梯度[8]。箱梁豎、橫向溫度梯度分布均按指數(shù)規(guī)律變化（見(jiàn)圖6）。

圖6 我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定的箱梁豎、橫向溫度梯度分布圖

我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定了箱梁截面豎向溫差與地理緯度的關(guān)系，規(guī)定對(duì)于無(wú)砟無(wú)枕箱梁雙向和單向計(jì)算時(shí)，截面豎向溫差按圖7取用。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)表5確定，截面最大正、負(fù)溫差分別取20℃和-10℃。

圖7 箱梁沿梁高溫差計(jì)算圖

表5 我國(guó)鐵路規(guī)范規(guī)定的箱梁溫度梯度參數(shù)

鐵路規(guī)范針對(duì)不同板厚分別規(guī)定了溫差曲線指數(shù)α′，箱梁沿板厚的溫差曲線按下式計(jì)算。

式中：δ為板厚，m；α′為沿板厚溫差曲線指數(shù)，按表6取值，m-1。

對(duì)于降溫梯度模式，箱梁沿頂板、外腹板板厚溫差曲線仍按指數(shù)分布，但α′采用14，相應(yīng)的T0采用-10℃。

表6 沿板厚溫差曲線的指數(shù)α′值 m-1

3 各國(guó)規(guī)范關(guān)于豎向溫度梯度規(guī)定的對(duì)比

以3m高度的箱梁為例，對(duì)比英國(guó)BS5400、美國(guó)AASHTO、德國(guó)DIN 101、新西蘭橋梁規(guī)范和我國(guó)公路、鐵路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于混凝土梁體豎向溫度梯度的規(guī)定，在不考慮梁體鋪裝層厚度的情況下，其豎向正、負(fù)溫度梯度分布見(jiàn)圖8。

圖8 各國(guó)規(guī)范關(guān)于豎向溫度梯度規(guī)定的對(duì)比

由圖8可知，截面溫差主要集中在距頂板邊緣50cm范圍內(nèi)，各國(guó)規(guī)范規(guī)定的豎向溫度梯度以非線性分布為主，其中包括折線分布（英國(guó)BS5400、美國(guó)AASHTO）、5次拋物線分布（新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范）和指數(shù)分布（我國(guó)鐵路規(guī)范）。各國(guó)規(guī)范規(guī)定的截面豎向最大負(fù)溫差約為正溫差的一半，同時(shí)考慮與正溫度梯度分布規(guī)律的不同[9]。

4 結(jié)論與展望

各國(guó)規(guī)范主要根據(jù)本國(guó)區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果制定，但由于所處地理位置、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等不同，不同規(guī)范所規(guī)定的截面溫差值具有一定的差別。若考慮相同的截面溫差值對(duì)比可知，我國(guó)鐵路規(guī)范和新西蘭橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的豎向溫度梯度基本吻合，美國(guó)AASHTO和英國(guó)的BS5400也較為接近。

德國(guó)DIN101和英國(guó)BS5400在規(guī)范中也列出了不同鋪裝層厚度對(duì)截面頂緣豎向溫差的影響。若以5cm鋪裝層為基準(zhǔn)，由不同厚度鋪裝層溫差修正系數(shù)可知（見(jiàn)圖9），梁面鋪裝層厚度對(duì)減弱豎向溫差作用明顯。對(duì)于梁體頂面覆蓋道砟的情況，德國(guó)DIN101規(guī)定在覆蓋60cm碎石道砟的情況下，梁體頂緣溫差為未覆蓋區(qū)域的60%。在豎向非線性溫度梯度作用下，簡(jiǎn)支箱梁截面僅產(chǎn)生自應(yīng)力；對(duì)于連續(xù)箱梁，其截面最終的應(yīng)力狀態(tài)為自應(yīng)力和次應(yīng)力的疊加。

圖9 不同厚度鋪裝層溫差修正系數(shù)

我國(guó)高速鐵路箱梁與普通鐵路、公路箱梁的主要區(qū)別在于梁體剛度和表面覆蓋物（類(lèi)型和布置）2個(gè)方面，研究鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁豎向溫度梯度對(duì)結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，應(yīng)準(zhǔn)確模擬橋上有砟/無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)對(duì)箱梁溫度分布的影響，以及根據(jù)不同階段選取合適的溫度梯度，并對(duì)其進(jìn)行深化研究。

[1] 北京交通大學(xué). 秦沈客運(yùn)專(zhuān)線綜合試驗(yàn)科技攻關(guān)項(xiàng) 目：整孔簡(jiǎn)支箱型梁橋綜合試驗(yàn)研究報(bào)告[R]. 北 京，2007.

[2] 英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5400：鋼橋、混凝土橋和結(jié)合橋 （1978—82版）[M]．成都：西南交通大學(xué)出版 社，1986.

[3] 美國(guó)各州公路和運(yùn)輸工作者協(xié)會(huì). 美國(guó)公路橋梁設(shè) 計(jì)規(guī)范：荷載與抗力系數(shù)設(shè)計(jì)法[S]. 北京：人民交 通出版社，1997.

[4] 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究所. 德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN101專(zhuān)業(yè)報(bào) 告：橋梁的荷載[M]. 柏林：博伊特有限公司出版 社，2003.

[5] 王毅. 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁溫度作用的觀測(cè)與分 析研究[D]. 南京：東南大學(xué)，2006.

[6] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. JTJ 023—1985 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]. 北京：人 民交通出版社，1985.

[7] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. JTGD 62—2012 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]. 北京：人民 交通出版社，2012.

[8] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司. TB 10002.3—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.

[9] 杜寶軍. 中外鐵路荷載標(biāo)準(zhǔn)制定方法及中國(guó)高鐵 荷載標(biāo)準(zhǔn)“走出去”適應(yīng)性分析[J]．中國(guó)鐵路， 2016(9)：10-16.

Research on Domestic and Foreign Speci fi cations on Vertical Temperature Gradient

LI Wei
（Scientific and Technological Information Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Vertical temperature gradient generates impacts on integral and local stress and deformation of box girder, however, pre-stressed concrete box girder widely applied currently have great variation in crosssection and structural rigidity. The research results considering small box girder without ballast and sleeper are not applicable. Therefore, it is necessary to study domestic and foreign specifications on vertical temperature gradient. By comparing BS5400, AASHTO, DIN101, bridge design codes in New Zealand, bridge design codes for railway and road bridge in China, the author compares distribution of plus and minus vertical temperature gradient by taking a 3m high box girder as an example and not considering the thickness of pavement layer. Then the author concludes that, in order to grasp the impact of vertical temperature gradient on stress and deformation of pre-stressed concrete box girder, influence of ballasted/ballastless track on bridge to temperature distribution of box girder shall be simulated precisely, so as to select proper temperature gradient according to different stage.

bridge；temperature gradient；design code；cross-section temperature difference

U441+.5

A

1001-683X（2017）09-0073-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.073

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2013G014-D）

李葳（1983—），女，助理研究員。E-mail：10913202@qq.com

責(zé)任編輯 苑曉蒙

2017-03-24