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        溫度對中小跨徑混凝土梁橋應(yīng)力及變形的影響研究

        2022-09-18 06:45:16賈路斌
        交通科技與管理 2022年18期
        關(guān)鍵詞:溫度梯度梁橋跨徑

        賈路斌,方 陽

        (貴州交咨工程檢測有限公司,貴州 貴陽 550000)

        0 引言

        中小跨混凝土梁橋因結(jié)構(gòu)簡單、建造技術(shù)成熟、可實現(xiàn)預(yù)制場預(yù)制、施工質(zhì)量可控且成本相對較低而得到廣泛應(yīng)用,其數(shù)量約占我國橋梁總數(shù)的91%。大跨徑梁橋梁體恒載效應(yīng)占橋梁總荷載效應(yīng)的比例可達(dá)80%~90%以上,活載效應(yīng)僅占總荷載效應(yīng)的10%左右。對中小跨徑混凝土梁橋而言,活載效應(yīng)占總效應(yīng)的比例在30%~60%左右[1-3]。因此,對于中小跨徑混凝土梁橋受力分析時應(yīng)充分考慮活載效應(yīng)的影響,包括汽車荷載、風(fēng)荷載、溫度荷載以及收縮徐變等。而貴州山區(qū)晝夜溫差大,太陽輻射明顯,梁體容易形成溫度梯度,故該文從溫度梯度方面分析溫度對中小跨徑混凝土梁橋的應(yīng)力及變形影響。

        1 溫度梯度對中小跨徑混凝土梁橋的應(yīng)力及變形影響

        中小跨徑混凝土簡支梁橋整體溫度升高或降低不會引起結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形變化。由于太陽輻射橋面,導(dǎo)致橋面溫度與梁底溫度形成正溫差,以及強(qiáng)對流天氣影響、氣溫突然降低,導(dǎo)致橋面溫度迅速降低而形成的梁底溫度高于橋面的負(fù)溫差,二者所形成的溫度梯度將對橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形產(chǎn)生較大影響[4-5]。

        在分析應(yīng)溫度梯度對混凝土梁橋產(chǎn)生的效應(yīng)時,可采用如圖1所示的溫度梯度曲線。規(guī)定橋面受太陽輻射所產(chǎn)生的最高溫度T1如表1所示,當(dāng)梁高H≤400 mm時,圖中A=H?100(mm),當(dāng)梁高≥400 mm時,A=300 m,規(guī)定豎向負(fù)溫度梯度為正溫度梯度乘以?0.5[6]。

        表1 豎向日照正溫差計算的溫度基數(shù)[6]

        圖1 豎向溫度梯度[6]

        依據(jù)現(xiàn)階段運營期橋梁現(xiàn)狀分析,現(xiàn)役中小跨徑混凝土梁橋多采用08版交通運輸部頒布梁橋通用結(jié)構(gòu)圖,該文選擇使用廣泛的16 m、20 m跨徑空心板與20 m、30 m、40 m跨徑T梁為研究對象。采用Dr.Bridge建立單梁模型,分析計算橫向分布系數(shù),以最不利荷載狀況模擬邊梁和中梁。

        1.1 溫度梯度產(chǎn)生的空心板應(yīng)力及變形

        采用Dr.Bridge建立單梁模型,溫度梯度依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)要求進(jìn)行設(shè)置,縱橋向不同位置在正溫度梯度和負(fù)溫度梯度作用下產(chǎn)生的變形如表2所示。(表2僅列出縱橋向L/8、L/4和L/2位置提取的相關(guān)數(shù)據(jù),豎向變形向上為“+”。)

        表2 溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形 /mm

        由表2可知,主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的豎向變形表現(xiàn)為:正溫度梯度梁體上拱,負(fù)溫度梯度梁體下?lián)稀T谡郎囟忍荻葧r,16 m空心板L/2截面上拱值為3.65 mm,20 m空心板L/2截面上拱值為4.55 mm;負(fù)溫度梯度時,16 m空心板L/2截面下?lián)现禐?.69 mm,20 m空心板L/2截面下?lián)现禐?.28 mm。

        由表3可知,主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的應(yīng)力,正溫度梯度作用下表現(xiàn)為:空心板上、下緣均表現(xiàn)為受壓,16 m空心板上緣壓應(yīng)力大小為2.03 MPa,下緣壓應(yīng)力大小為0.64 MPa,20 m空心板上緣壓應(yīng)力大小為2.25 MPa,下緣壓應(yīng)力大小為0.63 MPa;負(fù)溫度梯度作用下表現(xiàn)為:空心板上、下緣均表現(xiàn)為受拉,16 m空心板上緣拉應(yīng)力大小為1.13 MPa,下緣拉應(yīng)力大小為0.30 MPa,20 m空心板上緣拉應(yīng)力大小為1.12 MPa,下緣拉應(yīng)力大小為0.32 MPa。由上述分析可知,在正負(fù)溫度梯度作用下,空心板梁下緣受溫度梯度的影響小于上緣。

        表3 溫度梯度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力 /MPa

        1.2 溫度梯度產(chǎn)生的T梁的應(yīng)力及變形

        采用Dr.Bridge建立單梁模型,溫度梯度依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62—2004)[8]要求進(jìn)行設(shè)置,縱橋向不同位置在正溫度梯度和負(fù)溫度梯度作用下產(chǎn)生的豎向變形如表4所示。(表4僅選取縱橋向L/8、L/4和L/2位置提取相關(guān)數(shù)據(jù),豎向變形向上為“+”。)

        表4 梯度溫度產(chǎn)生的豎向變形 /mm

        由表4可知,主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的豎向變形表現(xiàn)為:正溫度梯度使梁體上拱,負(fù)溫度梯度使梁體下?lián)?。在正溫度梯度時,20 m T梁L/2截面上拱值為3.02 mm,30 m T梁L/2截面上拱值為4.75 mm,40 m T梁L/2截面上拱值為6.12 mm;負(fù)溫度梯度時,20 m T梁L/2截面下?lián)现禐?1.51 mm,30 m T梁L/2截面下?lián)现禐?2.37 mm,40 m T梁L/2截面下?lián)现禐?2.79 mm。

        由表5可知,主要控制截面溫度梯度使梁體產(chǎn)生的應(yīng)力,正溫度梯度作用下表現(xiàn)為:T梁上、下緣均表現(xiàn)為受壓,20 m T梁右上緣壓應(yīng)力大小為2.27 MPa,右下緣壓應(yīng)力大小為0.90 MPa,30 m T梁右上緣壓應(yīng)力大小為2.49 MPa,右下緣壓應(yīng)力大小為0.80 MPa,40 m T梁右上緣壓應(yīng)力大小為2.66 MPa,右下緣壓應(yīng)力大小為0.66 MPa;負(fù)溫度梯度作用下表現(xiàn)為:T梁上、下緣均表現(xiàn)為受拉,20 m T梁右上緣拉應(yīng)力大小為1.13 MPa,右下緣拉應(yīng)力大小為0.45 MPa,30 m T梁右上緣拉應(yīng)力大小為1.24 MPa,右下緣拉應(yīng)力大小為0.40 MPa,40 m T梁右上緣拉應(yīng)力大小為1.43 MPa,右下緣拉應(yīng)力大小為0.30 MPa。由上述分析可知,在正負(fù)溫度梯度作用下,空心板梁下緣受溫度梯度的影響小于上緣。

        表5 溫度梯度產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力 /MPa

        1.3 溫度梯度對活載監(jiān)測的影響分析

        對中小跨徑混凝土梁橋的營運安全進(jìn)行綜合評估,應(yīng)基于活載響應(yīng)的安全監(jiān)測,由1.1~1.2的計算分析可知,溫度梯度對中小跨徑混凝土梁橋應(yīng)力及變形的影響對監(jiān)測結(jié)果有相當(dāng)比重的影響,該部分內(nèi)容通過計算溫度梯度對活載產(chǎn)生應(yīng)力及變形的偏離值分析溫度梯度對活載監(jiān)測的影響程度。

        1.3.1 溫度梯度對變形的影響

        依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]計算標(biāo)準(zhǔn)活載與溫度梯度作用下中小跨徑混凝土空心板梁和T梁的豎向變形,分析結(jié)果如表6所示。溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形較大,由于溫度梯度是由太陽輻射產(chǎn)生,故溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形是時時存在的。在梁橋安全監(jiān)測過程中,通過變形采集設(shè)備采集的豎向變形量除了活載效應(yīng)外,還包括溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形。針對中小跨徑混凝土梁橋,以《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]活載作用下產(chǎn)生的豎向變形與加正負(fù)溫度梯度產(chǎn)生的變形進(jìn)行疊加,可得到溫度梯度產(chǎn)生的變形偏差量。

        表6 活載與溫度梯度產(chǎn)生的豎向變形(L/2截面)

        由表6可知,溫度梯度對梁體豎向變形測量的影響很大,且表現(xiàn)為正溫度梯度的測量偏差量大于負(fù)溫度梯度的測量偏差量。具體表現(xiàn)為:16 m空心板豎向變形測量偏差量為52.64%,20 m空心板豎向變形測量偏差量為49.73%,20 m T梁豎向變形測量偏差量為49.73%,30 m T梁豎向變形測量偏差量為41.13%,40 m T梁豎向變形測量偏差量為37.62%。隨跨徑的減小豎向變形測量偏差量呈現(xiàn)增大趨勢,即橋面與梁底的正溫差越大,橋梁跨徑越小,梁體豎向變形的測量偏差量越大。

        1.3.2 溫度梯度對應(yīng)力的影響

        依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[7]計算標(biāo)準(zhǔn)活載與溫度梯度變化作用下中小跨徑混凝土空心板梁和T梁的應(yīng)力,分析結(jié)果如表7。

        表7 活載與溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力(L/2截面) /MPa

        由表7可知,溫度梯度對空心板或T梁上緣的應(yīng)力測量偏差量影響較下緣的應(yīng)力測量偏差量更大。正溫度梯度時:空心板上緣的應(yīng)力測量偏差量介于48.45%~54.61%之間,下緣的應(yīng)力測量偏差量介于16.84%~16.93%之間,T梁上緣的應(yīng)力測量偏差量介于68.56%~78.55%之間,T梁下緣的應(yīng)力測量偏差量介于12.57%~14.61%之間;負(fù)溫度梯度時:空心板上緣的應(yīng)力測量偏差量介于26.97%~27.18%之間,下緣的應(yīng)力測量偏差量介于8.57%~16.93%之間,T梁上緣的應(yīng)力測量偏差量介于36.86%~37.54%之間,T梁下緣的應(yīng)力測量偏差量介于5.71%~7.31%之間。與豎向變形測量偏差量類似,應(yīng)力測量偏差量同樣表現(xiàn)為隨跨徑的減小應(yīng)力測量偏差量呈現(xiàn)增大趨勢,即橋面與梁底的正溫差越大,橋梁跨徑越小,梁體應(yīng)力的測量偏差量越大[9]。

        2 結(jié)論

        基于該文的分析可得出如下結(jié)論:

        (1)溫度梯度會對中小跨徑混凝土梁橋的應(yīng)力及變形產(chǎn)生不可忽略的影響。

        (2)對比分析溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力測量偏差量與豎向變形測量偏差量,溫度梯度作用下,隨跨徑的減小應(yīng)力測量偏差量呈現(xiàn)增大趨勢,且在正溫度梯度時,橋梁跨徑越小,梁體應(yīng)力及豎向變形的測量偏差量越大。

        (3)通過分析可為同類橋梁健康安全監(jiān)測過程中的傳感器的布設(shè)提供參考,對于中小跨徑T梁或空心板梁橋,應(yīng)力測點布設(shè)位置可選擇在梁體的下緣,以減小溫度梯度效應(yīng)對采集數(shù)據(jù)的影響,提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

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