王 哲

（中交三航局第三工程有限公司，江蘇南京 210011）

引言

自然環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的溫度作用有三種：季節(jié)溫度作用、日照溫度作用和驟然升降溫作用，而日照作用下產(chǎn)生的溫度梯度作用對(duì)無鋪裝層鋼箱梁的影響最大，其溫度場(chǎng)也最為復(fù)雜。由于鋼箱梁導(dǎo)熱性能好，鋼箱梁表面溫度變化趨勢(shì)跟大氣溫度變化基本一致，但是由于鋼箱梁結(jié)構(gòu)尺寸、橋位走向和太陽輻射角度等因素造成鋼箱梁各表面吸收的太陽輻射是不盡相同。由此導(dǎo)致鋼箱梁截面在豎向形成較大的溫差，從而形成溫度梯度。

由于溫度梯度作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的損害逐漸被工程人員發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究溫度應(yīng)力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，學(xué)者們依據(jù)溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，制定了適用于本國(guó)各地區(qū)的溫度梯度模式，最終形成業(yè)界規(guī)范條文。

但是各國(guó)的氣候條件、地理位置、太陽輻射強(qiáng)度、日照長(zhǎng)度以及橋梁結(jié)構(gòu)等因素差異較大，造成各國(guó)制定的規(guī)范也各有差異。同時(shí)，近年來隨著有限元軟件的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和有限元軟件對(duì)溫度梯度進(jìn)行研究，認(rèn)為在高溫天氣和驟然降溫的情況下，鋼箱梁溫度梯度分布不是簡(jiǎn)單的線性函數(shù)關(guān)系，采用分段函數(shù)形式較為合理。

1 項(xiàng)目背景

根據(jù)南京市濱江風(fēng)光帶綠道規(guī)劃，本項(xiàng)目自西向東，起于和記洋行，跨越金川河，毗鄰大橋公園，全長(zhǎng)約900 m。道路等級(jí)為人非專用道。沿線主要設(shè)有主線曲線、圓環(huán)輔橋各一座，本文針對(duì)圓形輔橋進(jìn)行展開。輔橋橋跨布置為4.35+2×27.75+37（跨金川河）+2×27.75+4.35 m，橋面全寬6 m。

圖1 圓環(huán)輔橋鋼箱梁三維示意

輔橋主梁采用連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全線等高等寬，橋?qū)? m，梁高1.6 m，橫橋向?qū)ΨQ布置2個(gè)獨(dú)立的單箱單室，2個(gè)箱室之間通過橫梁連接協(xié)同受力，橫梁沿橋梁縱向1.5 m間距布置，箱梁之間布置3 m寬橋面玻璃，玻璃采用三層鋼化夾膠玻璃。每個(gè)箱梁頂板寬1.5 m，底板寬0.7 m，內(nèi)側(cè)腹板垂直布置，外側(cè)傾斜腹板布置，與頂?shù)装宀捎镁€性直線過渡。箱梁頂板厚度16 mm，箱梁底板厚度16 mm，箱梁腹板厚度14 mm。

2 基于不同規(guī)范的溫度梯度影響分析

由于我國(guó)現(xiàn)行的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）基本借鑒了美國(guó)AASHTO中關(guān)于溫度梯度作用的方法，而英國(guó)BS5400規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)溫度作用的規(guī)定更為詳細(xì)，不同的橋梁結(jié)構(gòu)型式采用相應(yīng)的豎向溫度作用。英國(guó)BS5400橋梁規(guī)范將橋梁按結(jié)構(gòu)型式分成四種類型來分析豎向溫度分布，具體分類如下：

第一類：鋼箱梁上鋪設(shè)鋼橋面板；

第二類：鋼桁架梁或鋼板梁上鋪設(shè)鋼橋面板；

第三類：鋼箱梁以及鋼桁架梁或鋼板梁上鋪設(shè)混凝土橋面板；

第四類：混凝土梁或混凝土箱梁上鋪設(shè)混凝土橋面板。

并分別規(guī)定了相應(yīng)的豎向溫差分布，包括從太陽輻射吸收熱量引起的正溫差，和由于結(jié)構(gòu)表面向外界散發(fā)熱量所引起的負(fù)溫差，對(duì)于不同的橋梁結(jié)構(gòu)類型，其中鋼箱梁的溫差分布模式如圖2所示。

圖2 英國(guó)BS5400規(guī)范鋼箱梁溫度梯度作用分布

英國(guó)BS5400規(guī)范的正溫差分布Ty+由上部四折線組成，即：

式中：y為計(jì)算點(diǎn)至梁頂?shù)木嚯x（m）。

該橋鋪裝層為厚度6 mm的瀝青鋪裝層，厚度較小，忽略其鋪裝層厚度，按照第一類結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行分析。在Midas Civil中施加梁截面溫度作用，頂板上表面、頂板的下表面、距頂板距離0.1 m、0.3 m、0.6 m和底板六個(gè)位置的截面溫度，自上而下分別為30℃、27.76℃、16℃、6℃、3℃和0℃。

圖3 中國(guó)規(guī)范鋼箱梁溫度梯度作用分布

圖中：y為距面板的距離；t為鋪裝高度，且100＜t＜100+A，A為溫差梯度區(qū)段尺寸，當(dāng)上部為混凝土且h≥400 mm時(shí)，A=300 mm，h＜400 mm時(shí)，A=（h-100）mm，當(dāng)混凝土橋面板為鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，A=300 mm。

表1 中國(guó)規(guī)范JTG D60-2015的溫差基數(shù)

在Midas Civil中施加梁截面溫度梯度作用，其中，頂板上表面、頂板的下表面、距頂板距離0.1 m、0.4 m和底板五個(gè)位置的截面溫度，自上而下分別按照25℃、22.4℃、6.7℃和0℃進(jìn)行施加，得到不同規(guī)范下的鋼箱梁組合應(yīng)力分布圖。

為了描述位置方便，按照順時(shí)針方向?qū)蚨者M(jìn)行編號(hào)，順時(shí)針方向分別為0#墩、1#墩，以此類推；對(duì)支座外弧、內(nèi)弧分別編號(hào)1、2，支座編號(hào)即0-1#、0-2#、1#、2#、3#、4#、5-1#、5-2#支座。

按照英國(guó)BS5400和中國(guó)JTG D60-2015中規(guī)定施加溫度梯度作用，由表2可以看出，溫度作用對(duì)軸向應(yīng)力、Sby影響較小；其中，中英規(guī)范溫度作用下，第三跨Sby均內(nèi)弧受拉，外弧受壓。

表2 不同規(guī)范下鋼箱梁最大應(yīng)力

由于中國(guó)規(guī)范相對(duì)于英國(guó)BS5400規(guī)范中溫度梯度，中國(guó)規(guī)范的溫度梯度數(shù)量較少，離頂板底部距離超過400 mm處的溫度即沒有變化，而英國(guó)BS5400豎向溫差減小速率相對(duì)較低，分4段溫度逐段降低，溫差產(chǎn)生的組合應(yīng)力較大。

3 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的溫度梯度影響分析

1）監(jiān)測(cè)儀器。紅外測(cè)溫槍，精度±0.1℃。

2）監(jiān)測(cè)位置。鋼箱梁對(duì)溫度敏感，為了充分考慮溫差對(duì)鋼箱梁的影響，同時(shí)結(jié)合實(shí)橋測(cè)試采集工作的便捷性，選擇在邊跨鋼箱梁外側(cè)腹板作為測(cè)試斷面。

3）測(cè)點(diǎn)數(shù)量。選擇鋼箱梁沿選取截面豎向進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，為了準(zhǔn)確地反映鋼箱梁的截面溫度梯度情況，沿截面豎向加密布置測(cè)點(diǎn)，間隔距離為10 cm，梁高1 600 mm，測(cè)點(diǎn)共布置16個(gè)。

4）監(jiān)測(cè)時(shí)間。為反映鋼箱梁溫度梯度作用的實(shí)際情況，選取日照影響突出的晴朗天氣，具體監(jiān)測(cè)時(shí)間段為上午9:00至下午17:30（溫度趨于穩(wěn)定）。分成9:00、11:00、12:30、15:30、17:30共5個(gè)測(cè)溫時(shí)刻，分析一天中不同時(shí)刻下溫度梯度作用對(duì)鋼箱梁應(yīng)力的影響。通過測(cè)量腹板位置的溫度變化，統(tǒng)計(jì)一天中5個(gè)具有代表性時(shí)刻的梯度溫度值，如表3所示。

表3 實(shí)橋梯度溫度變化表/℃

圖4 不同時(shí)刻腹板溫度隨頂板距離變化

5）有限元溫度梯度分析

通過Midas Civil軟件結(jié)合實(shí)橋監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)對(duì)圓形輔橋施加豎向?qū)崢驕囟忍荻茸饔谩?/p>

不同時(shí)刻下不同位置的內(nèi)外側(cè)最大組合應(yīng)力差值數(shù)據(jù)如表4所示，其變化趨勢(shì)如圖5所示。

表4 不同位置內(nèi)外弧側(cè)應(yīng)力差值/MPa

圖5 內(nèi)外弧最大組合應(yīng)力差值隨墩號(hào)分布

可以看出，在1#墩、4#墩附近，內(nèi)弧側(cè)最大組合應(yīng)力小于外側(cè)，而0#墩、2#墩、3#墩、5#墩附近內(nèi)側(cè)大于外側(cè)，具體最大應(yīng)力數(shù)值如表5所示。

表5 不同時(shí)刻下鋼箱梁橋最大應(yīng)力/MPa

繪制點(diǎn)線圖如圖6所示。

圖6 不同時(shí)刻下各應(yīng)力變化

可以看出，該環(huán)形輔橋軸向應(yīng)力和Sby一天中隨著時(shí)刻的變化較小，基本維持在10 MPa之內(nèi)，而組合應(yīng)力和Sbz隨時(shí)間的變化波動(dòng)較大，應(yīng)力值介于-30～-70 MPa之間。

4 結(jié)論

1）應(yīng)力的差異。軸向最大應(yīng)力與以中、英規(guī)范規(guī)定的溫度梯度作用模擬下的最大應(yīng)力較為接近。實(shí)橋監(jiān)測(cè)的軸向應(yīng)力、Sby差異較小，均位于10 MPa之內(nèi)；而Sbz和組合應(yīng)力差異較大，應(yīng)力值介于-30～-70 MPa之間。

2）規(guī)范差異。由于中國(guó)規(guī)范相對(duì)于英國(guó)BS5400規(guī)范中溫度梯度段劃分的數(shù)量較少，離頂板底部距離超過400 mm處的溫度即沒有變化，英國(guó)BS5400規(guī)范豎向溫差分4段溫度逐段降低，溫差產(chǎn)生的組合應(yīng)力較大。

3）內(nèi)外弧受力差異。在溫度梯度作用下，內(nèi)外弧受力存在差異，在1#墩和4#墩附近，內(nèi)弧側(cè)最大組合應(yīng)力小于外側(cè)，而0#墩、2#墩、3#墩和5#墩附近內(nèi)側(cè)大于外側(cè)。1#墩和4#墩為單支座（約束能力較?。?，2#和3#墩為墩梁固結(jié)（約束能力較大），內(nèi)外弧應(yīng)力差異與邊界條件的約束能力有關(guān)。

4）本文研究對(duì)象為主墩采用墩梁固結(jié)的圓形輔橋梯度溫度影響，為類似橋梁設(shè)計(jì)與施工提供了借鑒依據(jù)。