謝棟明，王艷軍

(福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院，福州 350000)

自然環(huán)境的溫度和太陽光的輻射會導(dǎo)致梁體外表面溫度快速變化，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度一直不變或者變化很小，這種結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差就形成了溫度梯度，溫度的散失會在結(jié)構(gòu)的材料中形成非線性溫度分布狀態(tài)，讓整個結(jié)構(gòu)每個部位的溫度狀態(tài)各有不同.當(dāng)存在溫差時結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生形變，變形受到約束時，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就要重視.有些溫度導(dǎo)致的應(yīng)力相當(dāng)于活荷載產(chǎn)生的應(yīng)力，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂損，給橋梁的安全運營帶來危險[1].

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2004年國外學(xué)者Thomas 用FETAB軟件分析了混凝土T形梁的溫度效應(yīng)并且與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果表明：梁體表面對流換熱系數(shù)的確定是影響計算結(jié)果準(zhǔn)確性的主要原因之一；2008年國外學(xué)者Diger W H與Mase M A對加拿大跨徑為200 m 的混凝土T形梁橋進(jìn)行了連續(xù)觀測及研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加拿大橋梁設(shè)計規(guī)范對T形梁橫向溫差的規(guī)定不適用于所有的梁橋，至少對于所觀測橋來說是相對不安全的[2-5].

2005年湖南大學(xué)方志對混凝土斜交T形梁進(jìn)行了溫差的實際測量，根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)分析并總結(jié)出了斜交T形梁的溫度場變化規(guī)律，并推斷出了適用于中國中西部地區(qū)的溫度梯度模式[6]；2012 年，程海根和王美英建立了某簡支橋梁二維模型，根據(jù)模型采取了溫度應(yīng)力計算和太陽光照溫度場的分布情況，現(xiàn)場試驗與計算結(jié)果分析對比，結(jié)果表明：溫度作用所產(chǎn)生溫度應(yīng)力是不能忽略不計的[7].

2 通過Midas-civil建立梁橋溫度荷載試驗有限元模型

2.1 建模依據(jù)

依據(jù)橋梁檢測荷載試驗來測量橋梁在其影響下的相關(guān)參數(shù).溫度荷載試驗主要是研究升溫和降溫時橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)變的變化.本文研究結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)Midas-civil有限元分析軟件和現(xiàn)場實際試驗數(shù)據(jù)，模擬出斜交T形梁橋進(jìn)分析，為橋梁載荷試驗提供了有力依據(jù).

2.2 建立梁橋有限元模型

實例采用梁格法建立有限元模型, 橋梁縱向為X軸，橫橋方向為Y軸，橋梁垂直方向為Z軸，坐標(biāo)系選取默認(rèn)坐標(biāo)系，單位系選取t/m，并根據(jù)橋梁的幾何尺寸建立結(jié)構(gòu)模型.有限元模型如圖1所示.

圖1 梁橋有限元模型示意圖

材料：采用外徑D=70 mm的圓形塑料波紋管；C50的混凝土；預(yù)應(yīng)力鋼絞線直徑為15.2 mm，單根鋼絞線截面積為AP=140 mm2，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為1 861 MPa，鋼筋與管道壁的摩擦系數(shù)μ=0.17，管道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)K=0.002，預(yù)應(yīng)力鋼絞線松弛系數(shù)&=0.35;鋼筋采用HRB335直徑D=12 mm和HRB335直徑D=25 mm的鋼筋.

結(jié)構(gòu)：共有5個橫隔板，有3個是中橫隔板，2個為端橫隔板，橫隔板都是傾斜放置；橫橋向布置5片梁，共計125個節(jié)點,110個梁單元，84個板單元，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m、斜交角度30°.

3 施加溫度荷載的有限元模型分析

3.1 溫度梯度

溫度梯度是指橋梁結(jié)構(gòu)在受到太陽輻射的影響之后，橋主梁部分的溫度順著梁高度方向變化的模式.把溫度梯度模式大致可以分為兩類：線性溫度變化模式和非線性溫度變化模式.如圖2所示.

圖2 溫度梯度示意圖

3.1.1 線性溫度變化

橋結(jié)構(gòu)的主梁結(jié)構(gòu)在線性溫度模式下產(chǎn)生彎曲變形.在靜定結(jié)構(gòu)情況下，線性溫度變化會引起橋梁結(jié)構(gòu)的位移變形；而在超靜定結(jié)構(gòu)情況下，因為有了多余約束的影響，橋結(jié)構(gòu)才會產(chǎn)生溫度次內(nèi)力[8-10].

3.1.2 非線性溫度變化

在靜定結(jié)構(gòu)情況下，非線性溫度梯度會讓橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲變形；在超靜定結(jié)構(gòu)情況下，多余約束阻止了橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形產(chǎn)生的應(yīng)力即為溫度次內(nèi)力[11].

3.2 溫度梯度效應(yīng)的研究

在分析試驗橋梁的溫度梯度效應(yīng)時，通過計算得到的溫度梯度以溫度荷載的形式應(yīng)用到計算模型中[12].當(dāng)加載溫度荷載時，有限元模型軟件MIDAS-civil僅允許加載線性的溫度梯度，因此要把非線性溫度梯度等效成線性溫度梯度進(jìn)行加載試驗.將垂直和橫向溫度梯度作為荷載應(yīng)用于有限元模型中予以施加[13].

結(jié)構(gòu)豎向溫度梯度可等效為：

T(y)=17.9……y=0

13.0……y=0.1

6.84……y=0.3

3.6……y=0.5

0……y=1.2

(1)

其中：T(y)是拉桿中每個點的溫差值，它是坐標(biāo)y的函數(shù)，單位℃；y為該點距離梁頂?shù)木嚯x，單位m.

在最不利的溫度分布下，結(jié)構(gòu)的橫向溫度梯度可以相當(dāng)于：

T(x)=6……x=0

2……x=0.15

0……x=3

0……x=1.1

0……x=1.25

(2)

其中：T(x)為連接腹板的點和腹板邊緣之間的溫差，它是坐標(biāo)x的函數(shù)，單位 ℃；x為該點距離梁頂?shù)木嚯x，單位 m.

3.3 荷載工況

為了直觀的分析橋梁上不同方向的溫度梯度的影響，以下兩種荷載工況來進(jìn)行研究：

工況1：主梁控制截面的內(nèi)力和應(yīng)力，施加溫升20 ℃梯度荷載；

工況2：主梁控制截面的內(nèi)力和應(yīng)力，施加溫降20 ℃梯度荷載.

3.3.1 在工況條件1作用下，主梁控制截面的內(nèi)力和應(yīng)力

測試結(jié)果與數(shù)值計算之間的比較如圖3～5和表1、2所示.由圖4、5可以看出邊梁的跨中彎矩最大，是最容易出現(xiàn)裂縫的位置.當(dāng)在荷載工況1作用時，是以邊梁為主要受力點.由表1可知：在荷載工況1條件作用下，邊梁所產(chǎn)生的軸向力是壓力，并且從端部向中部逐漸減小，在順橋方向邊梁跨中的截面出現(xiàn)最大彎矩值為936.71 kN·m.

圖4 中跨左邊梁彎矩圖

圖5 中跨右邊梁彎矩圖

表1 邊梁控制截面內(nèi)力

由表2可知：在荷載工況1條件作用下，在截面上邊緣出現(xiàn)最大應(yīng)力值為5.23 MPa.

表2 邊梁控制截面應(yīng)力

根據(jù)工程概況和實際經(jīng)驗提出一些對溫度變化引起的混凝土變形裂縫的處理意見：

1)有效設(shè)置后澆帶：具體工程應(yīng)結(jié)合建筑物的長度、氣候環(huán)境特點綜合考慮，一般控制在20m左右、寬度在考慮滿足鋼筋錯開搭接的要求下，預(yù)留出1 m的寬度、澆筑時的溫度要比主體澆筑時的溫度低、后澆帶混凝土要采用高于兩側(cè)混凝土一個等級的無收縮或微膨脹混凝土.

2)局部加強配筋：實際配筋要考慮溫度收縮應(yīng)力影響予以適當(dāng)?shù)脑龃?，在邊跨的位置要設(shè)置腰筋.

3)設(shè)置伸縮縫：在跨中位置設(shè)置垂直于順橋方向的伸縮縫.

3.3.2 工況條件2下主梁控制截面內(nèi)力和應(yīng)力

試驗結(jié)果與數(shù)值計算的對比分析如圖6、7和表3、4所示.

圖6 軸力圖

圖7 中跨彎矩圖

表3 中梁控制截面內(nèi)力

由圖6、7可以看出,中梁的跨中彎矩最大，是最容易出現(xiàn)裂縫的位置.當(dāng)在荷載工況2作用時，是以中梁為主要受力點.

由表3可知：在荷載工況2條件作用下，中梁所產(chǎn)生的軸向力是拉力，最大值出現(xiàn)在主梁L/4位置，其值為688 kN，軸力最小出現(xiàn)在主梁端部，其值為320.42 kN.在順橋方向的中梁的跨中截面出現(xiàn)最大彎矩值為936.47 kN·m.

由表4可知：在荷載工況2作用下，應(yīng)力最大截面出現(xiàn)在截面上緣內(nèi)側(cè)，最大值為5.23MPa.

表4 中梁控制截面應(yīng)力

4 結(jié) 語

通過溫度荷載工況作用下可以看出，斜交T形梁橋受溫度影響很大，跨中產(chǎn)生很大的彎矩與剪力，因此跨中板面處是最容易出現(xiàn)裂縫的位置.外觀檢查中發(fā)現(xiàn)的橋面鋪裝及主梁病害均與此有關(guān).

在溫升20 ℃的梯度作用下，邊梁跨中和中梁跨中所產(chǎn)生的軸向力是壓力，在控制截面應(yīng)力方面，邊梁跨中和中梁跨中均在截面上邊緣內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在順橋方向邊梁跨中橋板面會受拉，板底受壓，導(dǎo)致該橋的邊梁跨中板上表面起拱度極大，最容易出現(xiàn)裂縫；在溫降20 ℃的梯度作用下，邊梁跨中和中梁跨中所產(chǎn)生的軸向力是拉力，在控制截面應(yīng)力方面，邊梁跨中和中梁跨中均在截面上邊緣內(nèi)側(cè)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，在順橋方向中梁跨中橋板面會受壓，板底受拉，導(dǎo)致該橋的跨中板底最容易出現(xiàn)裂縫[14-15].

當(dāng)混凝土橋梁因溫度應(yīng)力大于自身的抗拉強度時，就會產(chǎn)生溫度裂縫，通過本文的研究分析，以期在今后的橋梁設(shè)計施工中，要按規(guī)范結(jié)合經(jīng)驗，采取相應(yīng)的裂縫控制措施來增加橋梁的使用年限.