李啟成

（中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026）

1 引言

鋼－混凝土組合梁橋是指外露鋼梁或鋼桁梁通過抗剪連接件與混凝土橋面板連接成整體并考慮共同受力的橋梁結構形式［1］。鋼混組合梁在二十世紀五十年代開始應用于橋梁工程。到目前為止，國內外有關組合梁的研究主要集中在其靜、動力性能和設計方法等方面，并取得了豐碩的成果［2］。鋼混組合結構充分利用了鋼材與混凝土的材料性能，極大限度地體現了橋梁設計中的高性能與經濟性［3］。雖鋼混組合梁橋有諸多優(yōu)勢，近年來動力學與靜力學也取得了豐富的研究成果，但鋼混組合梁橋長期暴露于自然環(huán)境中，由于空氣溫度變化、太陽輻射的差異，以及橋梁布置方向和所處地理位置等的不同，組合橋梁結構各部分形成不均勻的溫度差異［4］，這種不均勻溫度差異產生的溫度效應在橋梁施工與運營階段均會產生較大影響。經多年研究，橋梁由于溫度效應產生的病害可分為三類：混凝土梁開裂、橋梁支座病害、直接導致橋梁破壞。2000年6月3日，深圳市華強立交橋A匝道主聯曲線梁橋突然發(fā)生向外移動和向外側翻轉致使筍崗路東行左轉華富路交通中斷，經研究破壞原因為溫度變化引起的累加位移問題導致支座破壞［5］。維也納Danube第四橋忽略溫度效應［6］，在合龍后的某個夜晚（1969年11月），中跨和邊跨的鋼梁腹板屈曲，導致橋梁無法繼續(xù)使用。

據研究，極端情況下產生的溫度效應甚至能超過恒載和活載，成為控制橋梁設計的第一因素［7］。同時，雖鋼與混凝土的線膨脹系數分別為1.2×10－5/℃和1.0 ×10－5/℃，較為接近，但鋼與混凝土的導熱系數相差30倍以上，熱工性能差異較大，使得鋼－混凝土組合梁橋結構相比其他混凝土橋梁的溫度效應問題更為復雜［8］。近年來，采用有限元軟件Midas Civil對組合梁橋進行研究，常將鋼板組合梁作為梁單元，忽略了鋼梁的力學特性以及剪力鍵對組合梁橋的影響，且鋼梁由于橫聯影響，鋼梁可能處于多向受力狀態(tài)，僅以正應力研究鋼梁應力變化已不能滿足橋梁施工及使用階段的需要。為進一步研究溫度效應對鋼混組合梁橋結構的影響，本文以京新高速盆克特2號大橋主跨為50 m鋼板組合梁橋為研究背景，分析了關鍵截面溫度應力沿梁高的整體變化以及工字鋼梁截面翼緣和腹板應力沿跨度的變化規(guī)律，且按照中、英、美三國規(guī)范分別規(guī)定的溫度梯度作用，對比了工字鋼梁跨中應力分布特征，為今后鋼板組合梁橋溫度效應研究提供參考。

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

京新高速公路（G7）巴里坤至木壘公路建設項目位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州木壘縣和哈密地區(qū)巴里坤哈薩克自治縣境內，是國家高速公路網北京至烏魯木齊國家高速公路的重要組成部分。項目區(qū)屬天山山地，海拔介于1 374～1 754 m之間，向兩側傾斜。地貌包括山麓斜坡堆積區(qū)、山前丘陵區(qū)、剝蝕低中山區(qū)。屬大陸性冷涼干旱氣候區(qū)，暖季涼爽、冷季嚴寒，無霜期段降雨偏少，蒸發(fā)量大，日氣溫變化大，年平均氣溫2.7℃，極端最低氣溫為－43.4℃。

盆克特2號大橋位于京新高速巴里坤至木壘段K227＋556.5處，全橋共4聯：4×25 m＋3×50 m＋4×25 m＋4×25 m，全長462 m。本文研究的為50 m的主梁部分，橋寬27 m，為裝配式鋼板組合梁橋。其中，工字鋼采用 Q345，頂板寬400 mm、厚16 mm，腹板厚16 mm、高2 434 mm，底板寬900 mm、厚30 mm；混凝土板采用厚為320 mm的C50預制混凝土板，板厚為320 mm。盆克特2號大橋主橋跨中橫截面如圖1所示。

圖1 跨中橫斷面（單位：mm）

2.2 有限元計算模型

借助MIDAS Civil有限元分析軟件，建立有限元模型?；炷涟宀捎昧簡卧?，工字鋼采用板單元，共劃分為10 167個單元。鋼板組合梁材料參數見表1。

表1 材料參數

3 不同規(guī)范溫度梯度模型

各國家及地區(qū)由于地域、地形地貌以及氣候的差異，橋梁結構豎向梯度溫度的規(guī)范也不盡相同。

3.1 中國公路橋涵設計通用規(guī)范（JTG D60—2015）

中國《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）［9］在平均溫度方面，考慮了氣候分區(qū)、橋面板類型以及橋面鋪裝層厚度因素等的影響，將全國分為三個區(qū)：嚴寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、溫熱地區(qū)，平均溫度的有效溫度取值見表2，溫度標準值見表3。其中，烏魯木齊木壘縣屬于寒冷地區(qū)。

表2 中國規(guī)范豎向日照溫差溫度基數

表3 2015橋梁通用規(guī)范標準值 ℃

在日照溫度梯度方面，我國參考了新西蘭、英國、美國等規(guī)范，考慮到美國規(guī)范關于溫度曲線的規(guī)定相對簡單，計算快捷，故采用其相應的溫度分布曲線，并根據我國的具體情況進行了一些改進［10］，見圖2。

圖2 中國規(guī)范豎向溫度梯度模型

3.2 英國BS5400

英國BS5400規(guī)范規(guī)定鋼－混凝土橋梁的溫度梯度曲線見圖3，溫度取值見表4（橋面鋪裝厚度為100 mm）。該規(guī)范對橋面鋪裝類型未加以區(qū)分，對溫度梯度曲線受鋪裝厚度的影響有所考慮［11］。

圖3 BS5400規(guī)范豎向溫度梯度模型

3.3 美國AASHTO規(guī)范

美國規(guī)范在溫度梯度方面也采用雙折線的溫度梯度模式［12］，其溫度梯度模型見圖4。

圖4 美國規(guī)范豎向溫度梯度模型

溫度基數取值根據橋梁所在位置進行分區(qū)，全國共分為四個區(qū)域，見表5。

表5 美國規(guī)范豎向日照溫差溫度基數

如果橋面為素混凝土，溫度取值為各地區(qū)溫度基數的－0.3倍；如果為瀝青混凝土，則溫度取值為各溫度基數的－0.2倍。

4 結果分析

4.1 工字鋼梁應力分析

本文分別研究工字鋼梁截面應力沿跨度的變化規(guī)律以及工字鋼梁截面應力沿截面高度的變化規(guī)律。分別取翼緣板頂板（fla-top）、距頂板120 mm處腹板（web-0.12）、距頂板840 mm 處腹板（web-0.84）、距頂板1 560 mm處腹板（web-1.56）、距頂板2 280 mm處腹板（web-2.28）以及翼緣板底板（f la-bot）作為研究點，分析其應力分布情況，研究點分布情況見圖5。

圖5 工字鋼梁研究點位示意

（1）工字鋼梁應力－跨度分析

組合梁在升溫溫度梯度作用下，各研究點截面正應力隨跨度分布見圖6。

圖6 截面正應力隨跨度變化曲線

從圖6可以發(fā)現，在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應力在翼緣板與腹板呈現相同的分布規(guī)律，均在支座處取得較小值，且不同截面高度處應力值均接近零；在跨中取得最大值，上翼緣板跨中拉應力取得最大值為10.9 MPa，下翼緣板跨中壓應力取得最大值2.69 MPa。在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應力在梁截面上側為拉應力，下側為壓應力。在升溫溫度梯度作用下，上側拉應力數值明顯大于下側壓應力數值。

在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁應力沿跨度分布規(guī)律與升溫溫度梯度作用下分布規(guī)律基本相同，區(qū)別在于在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應力在梁截面上側為壓應力，下側為拉應力。

（2）工字鋼梁應力－梁高分析

選取支座與跨中截面為研究工字鋼梁應力沿梁高分布規(guī)律的關鍵截面。組合梁工字鋼在溫度梯度作用下，各研究點有效應力隨梁高分布見圖7。

圖7 應力沿梁高分布規(guī)律

從圖7可以看出，在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應力上側呈拉應力，下側呈壓應力，分別在跨中上翼緣板和跨中下翼緣板取得最大值，最大拉應力為10.7 MPa，最大壓應力為2.67 MPa。在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁正應力上側呈壓應力，下側呈拉應力，分別在跨中上翼緣板和跨中下翼緣板取得最大值，壓應力最大值為5.337 MPa，最大拉應力為1.37 MPa。支座處截面在梁高為1.54 m以下部分，截面正應力未發(fā)生較大波動，當梁高超過1.54 m后，截面正應力逐漸增大，且在上翼緣板處取得最大值?？缰薪孛嬲龖瞥示€性分布，在梁高為0.5 m處，截面正應力為零。

4.2 不同國家規(guī)范下工字鋼應力分析

將不同的溫度梯度記為不同的工況，施加于有限元計算模型中。溫度梯度曲線的溫度峰值取值見表6，工況1～3根據不同的規(guī)范溫度梯度取升溫，工況4～6溫度梯度取降溫。

表6 溫度工況

通過以上章節(jié)分析可知，工字鋼梁跨中翼緣處為橋梁在溫度梯度作用下應力最大處，所以對于不同國家規(guī)范的溫度效應進行研究，主要分析在不同溫度梯度作用下跨中工字鋼截面上翼緣與下翼緣處應力分布，見圖8。

圖8 跨中截面應力柱狀圖

通過分析圖8，可以得出以下結論：

（1）按照各國規(guī)范規(guī)定，組合梁橋在升溫溫度梯度作用下，工字鋼梁跨中截面上翼緣為拉應力，下翼緣為壓應力；組合梁在降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁跨中上翼緣為壓應力，下翼緣為拉應力。

（2）各國規(guī)范規(guī)定下，組合梁截面在升溫和降溫溫度梯度作用下，工字鋼梁的溫度應力分布規(guī)律基本相同。在升溫作用下，工字鋼跨中截面上翼緣的應力由大到小排列順序為：美國＞中國＞英國；在降溫作用下，工字鋼梁跨中截面上翼緣應力排列順序為：英國＞中國＞美國。在升溫溫度梯度下，美規(guī)的工字鋼上翼緣應力明顯高于中規(guī)和英規(guī)，中規(guī)與英規(guī)工字鋼上、下翼緣應力基本相等。在降溫溫度梯度作用下，英規(guī)的工字鋼上翼緣應力明顯高于中規(guī)與美規(guī)。

5 結論

（1）組合梁工字鋼梁在溫度梯度作用下，從應力沿梁高分布規(guī)律可以發(fā)現，組合梁工字鋼支座處截面正應力與跨中截面正應力分布規(guī)律明顯不同。組合梁工字鋼跨中截面應力呈線性變化，但在支座處沿梁高多次波動，出現了兩個零應力點。

（2）在升溫溫度梯度作用下，鋼板組合梁工字鋼截面正應力上側受拉，下側受壓；在降溫溫度梯度作用下，組合梁橋工字鋼截面正應力上側受壓，下側受拉。且在升溫溫度梯度下工字鋼截面正應力與等效應力均大于降溫溫度梯度下工字鋼梁截面的正應力與等效應力。

（3）按照中、美、英規(guī)范，在升溫作用下，工字鋼跨中截面上翼緣的應力值排列順序為：美國＞中國＞英國；在降溫作用下，工字鋼跨中截面上翼緣的應力值排列順序為：英國＞中國＞美國。