任文輝 寇越 馬彥陽 李潔 徐淑亮 董林劭 孟祥乾

（1.中鐵建陜西高速公路有限公司，陜西 西安 710000；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710000；3.中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟寧 272100）

鋼-混凝土組合橋梁充分利用了鋼結(jié)構(gòu)良好的抗拉特性和混凝土良好的受壓特性，具有自重輕、施工快捷、剛度大等特點，在國內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。但鋼-混凝土組合梁中混凝土與鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)相差過大，由此造成鋼梁和混凝土橋面板之間存在較大的溫差，這種溫差會在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和變形，對橋梁結(jié)構(gòu)造成的影響不容忽視。

隨著鋼-混凝土組合梁在中國的推廣應(yīng)用，組合橋梁溫度場的研究也逐漸展開。石家莊鐵道大學(xué)趙品等人通過對某波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋進行溫度效應(yīng)觀測，提出了波形鋼腹板箱梁溫差計算模式及其該模式下的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法。山東大學(xué)張峰等人依托寧夏葉盛黃河公路大橋，利用無線采集儀模塊和溫度傳感器，研究波形鋼腹板內(nèi)襯混凝土部位的溫度梯度。蘭州交通大學(xué)王力等人提出大溫差作用下新型波形鋼腹板組合箱梁相對滑移、內(nèi)力和應(yīng)力的理論計算方法。西南交通大學(xué)王耀旭等人采用數(shù)值模擬方法進行鋼-混凝土組合梁橋溫度效應(yīng)計算并完成本構(gòu)模型、滑移效應(yīng)等參數(shù)分析。湖南大學(xué)劉瑜等人研究超高性能混凝土層（UHPC）輕型組合梁橋結(jié)構(gòu)在日照作用下的溫度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)輕型組合梁橋面板的溫度梯度效應(yīng)是不可忽略的。北京建筑大學(xué)武慶祥等人對實測溫度場數(shù)據(jù)進行曲線擬合并與規(guī)范對比，發(fā)現(xiàn)鋼箱梁溫度存在豎向梯度。天津大學(xué)朱勁松等人采用三維遮擋算法，對簡支鋼箱-混凝土組合梁橋的豎向溫度梯度進行參數(shù)分析，并提出豎向溫度梯度基數(shù)回歸函數(shù)。在鋼-混凝土組合梁溫度效應(yīng)的研究中，主要集中于對波形鋼腹板組合梁橋和鋼-混凝土組合梁橋的溫度場與溫度效應(yīng)研究，需要對鋼桁組合梁溫度效應(yīng)進行深入研究。

為了明確晝夜大溫差對鋼桁-混凝土組合梁的力學(xué)行為的影響，選取水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁為研究對象，根據(jù)橋址氣象確定溫度荷載，通過有限元仿真分析在晝夜大溫差作用下對支座反力、變形，以及桁桿應(yīng)力的影響。

一、工程概況

合銅高速公路水蘇溝大橋是主橋為3×80m鋼桁-混凝土組合梁橋，全長697m，為左右兩幅。主梁采用Q420qDNH雙拼桁架組合梁，行車道板采用C50混凝土，鋼主梁標準間距6.7m，主梁高度為8.9m，設(shè)計荷載為公路-I級。

水蘇溝大橋地處陜西省渭南市白水縣，位于東經(jīng)109°，北緯35.2°，位于中緯度半干旱地區(qū)，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，晝夜溫差大。根據(jù)橋址處近10年歷史氣象資料顯示，橋位處歷年平均溫度為17.08℃，最大晝夜溫差為20℃，出現(xiàn)在2015年4月15日。

二、溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測

溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測貫穿整個施工監(jiān)控過程。水蘇溝大橋采用高精度溫度傳感器進行溫度監(jiān)測，如圖1所示。溫度監(jiān)測主要監(jiān)測梁外部溫度和太陽輻射強度。測點應(yīng)布置在溫度梯度變化較大位置，且對稱、均勻布置，能反映結(jié)構(gòu)豎向及水平向溫度場變化規(guī)律。當面積或跨度較大，以及在結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力及變形受環(huán)境溫度影響大的區(qū)域時，應(yīng)增設(shè)測點。在對橋梁外部環(huán)境進行溫度監(jiān)測時，宜選擇通風(fēng)良好且不受日光直射的橋梁部位；在對橋梁內(nèi)部環(huán)境進行溫度監(jiān)測，宜選擇箱梁、主拱、橋塔和錨碗室內(nèi)部的幾何中心位置。測點布置如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場溫度監(jiān)測

圖2 鋼桁梁橫截面測點布置

三、結(jié)構(gòu)仿真

根據(jù)水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式和實際尺寸，構(gòu)建有限元模型進行計算分析，結(jié)構(gòu)三維計算模型如圖3所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點選取單元類型，橋面板和鋼桁選用梁單元。有限元模型采用975個節(jié)點和1175個單元。橋面板采用C50混凝土，鋼桁梁采用Q420鋼材。根據(jù)橋址氣象，水蘇溝大橋最大晝夜溫差為20℃，為了模擬日照作用下，橋梁結(jié)構(gòu)接受不均勻太陽輻射，將橋面板與一側(cè)桁架整體升降溫20℃。

圖3 結(jié)構(gòu)三維計算模型

四、溫度效應(yīng)

（一）支座反力

組合結(jié)構(gòu)橋梁是由多種材料組合而成，不同材料對溫度的敏感性不同，在日照溫差作用下容易產(chǎn)生相對滑移，同時也會引起應(yīng)力集中、局部破壞甚至嚴重變形。為了分析在晝夜大溫差作用下對橋梁支座反力的影響，分別根據(jù)當?shù)貥O端最高溫度和極端最低溫度，對結(jié)構(gòu)進行整體升降溫，鋼桁組合梁的支反力計算結(jié)果如表1所示。

表1 整體升降溫下支座反力

模型中各節(jié)點的位置如圖4所示。其中，組合梁端支點節(jié)點號分別為14、49、94及128，中支點節(jié)點號為24、59、93及106。由表1可知，在整體升溫時，端支點受到拉力，中支點受到壓力。在整體升溫時，端支點和中支點的受力與整體降溫方向相反，數(shù)值大小相等。

圖4 支座節(jié)點位置

（二）變形

溫度變形不僅影響行車的舒適性，還可能導(dǎo)致橋梁支座的抬起和伸縮縫破壞等病害，甚至出現(xiàn)橋梁破壞。根據(jù)橋址氣象，在晝夜大溫差下鋼桁梁的縱橋向變形、橫橋向變形及豎向變形分別如圖5～10所示。0

圖5 整體升溫下縱橋向變形

由圖5和圖6可知，在整體升降溫下，3個結(jié)構(gòu)部位的縱橋向變形基本一致，在端支點取到最大值，為31.91mm。

圖6 整體降溫下縱橋向變形

由圖7和圖8可知，在整體升降溫作用下，未加溫度一側(cè)桁桿與整體升降溫一側(cè)桁桿的橫橋向變形基本一致，在跨中達到最大，為4.65mm；在整體升溫作用下，橋面板的橫向變形均大于0，說明橋面板向右偏移，在整體降溫作用下，橋面板的橫向變形均小于0，說明橋面板水平向左偏移。

圖7 整體升溫下橫橋向變形

圖8 整體降溫下橫橋向變形

由圖9和圖10可知，在整體升降溫作用下，結(jié)構(gòu)豎向變形關(guān)于跨中對稱。在整體升溫下，會使跨中下?lián)?，邊跨上撓，最大撓度處均位于跨中。在整體降溫下，會使跨中上撓，邊跨下?lián)稀Ｔ谡w升降溫中，未加溫度一側(cè)桁桿受日照溫度影響最大，其次為橋面板，整體升降溫一側(cè)桁桿為最小。在整體升溫下，未加溫度一側(cè)桁桿最大豎向變形為5.98mm，為橋面板最大豎向變形的1.36倍，為整體升降溫一側(cè)桁桿最大豎向變形的4.27倍。

圖9 整體升溫下豎向變形

圖10 整體降溫下豎向變形

五、結(jié)語

本文采用有限元數(shù)值仿真，選取水蘇溝鋼桁-混凝土組合連續(xù)梁為研究對象，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，由橋址晝夜最大溫差確定整體升降溫的數(shù)值，分析了整體升降溫對支座反力和變形的影響。通過分析計算發(fā)現(xiàn)，在變形和桁桿應(yīng)力中，整體升降溫對結(jié)構(gòu)跨中的影響最大。因此，在鋼桁-混凝土混合連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)分析和運營期檢測中應(yīng)考慮溫度效應(yīng)影響，尤其關(guān)注溫度效應(yīng)對跨中的不利影響，防止跨中下?lián)线^大，應(yīng)力過大等不利影響，引起結(jié)構(gòu)破壞。