温度荷载对装配式梁桥受力性能的影响

刘嘉欣，霍建兵，邬晓光，方淼淼

(1.长安大学 公路学院 西安市 710064； 2.山西省高速公路集团有限责任公司 太原市 030000)

0 引言

我国正在运营的桥梁中有超过80%均为中小跨径桥梁，而在这些桥梁中，主要出现的形式是装配式桥梁，在役桥梁由于各种各样的原因通常会过早地出现病害。通过研究在役桥梁常见病害的成因机理发现：环境温度是不可忽视的一个方面，温度荷载会导致混凝土所受应力超过极限抗拉强度，从而出现温度裂缝。

近年来，许多专家学者研究了温度荷载对桥梁结构受力性能的影响。谢栋明等[1]对斜交T梁桥展开了研究，认为温度荷载导致斜交T梁桥的跨中弯矩、剪力值过大，因此在跨中位置最容易出现裂缝；王宇斌[2]对我国东营地区的大桥实测数据进行温度梯度拟合，确定适合该地区的温度梯度参数，得到结论，竖向温度梯度对箱梁产生了较大的影响；叶兵剑[3]研究了混凝土非结构性裂缝的形成机理，其中很重要的一种为温度裂缝，导致了结构非结构性开裂；陈晓东[4]对依托工程进行了温度挠度现场试验，最终认为挠度主要由环境温度变化所引起；李帅[5]通过现场实测的太阳辐射下的上部单室箱梁的温度场，证明了在太阳辐射作用下，竖向温差很大，必须着重考虑；刘昌运[6]仔细研究了温度荷载对箱梁的作用效应，认为温度梯度曲线的选取能够严重影响箱梁桥的应力与挠度。

之前关于温度梯度的研究大多为钢混结构、大跨径桥梁、钢桁架等复杂结构，在中小跨径桥梁中研究较少。研究了温度荷载对中小跨径装配式梁桥受力性能的影响，建立ANSYS有限元模型，分别研究了整体升降温以及温度梯度作用下，桥梁结构的应力以及变形情况。

1 工程背景及有限元模型的建立

1.1 工程背景

选取装配式预应力混凝土连续箱梁为依托工程，其上部结构形式为15×25m，分为5×25m+5×25m+5×25m，宽度方向小箱梁的数量为4，箱梁高为1.40m，设计荷载为公路-Ⅰ级，地震基本烈度为Ⅶ，地震动峰值加速度为0.15g。选择一联箱梁，对其进行ANSYS建模分析。主梁采用C50混凝土，混凝土弹模为3.45E4MPa，泊松比为0.2，密度为2600kg/m3，轴心抗拉强度设计值为2.65MPa，轴心抗压强度设计值为32.4MPa。预应力钢束弹模为1.95E5MPa，泊松比为0.3，密度为8005kg/m3，抗拉强度标准值为1860MPa，张拉控制应力为1395MPa。

1.2 有限元模型的建立

利用ANSYS进行模型的建立，本研究混凝土采用SOLID65实体单元模型，预应力钢筋单元采用LINK8杆单元模型，在不考虑钢筋滑移的前提下，建立了两种单元的位移转换矩阵，进而导出包含预应力钢筋贡献的预应力混凝土组合单元刚度矩阵。利用嵌入式组合刚度的概念，在单元划分时不必考虑预应力钢筋的布束方式，预应力钢筋单元可随意穿过混凝土单元，这为解决预应力钢筋单元节点预加力向实体单元节点荷载转换、考虑混凝土收缩徐变效应对预加应力的影响提供了一种行之有效的技术手段。梁体的几何模型如图1所示，划分单元后梁体的有限元模型如图2所示，划分完单元后预应力钢束的有限元模型如图3所示。

图1 几何模型(局部)

图2 有限元模型模型(局部)

图3 预应力钢束有限元模型

2 计算工况以及关键点的确定

2.1 计算工况的确定

在桥梁施工和运营过程中，温度应力对桥梁的影响是不可忽视的，根据温度的变化对桥梁结构的作用，可将变化主要划分成两类：

(1)日照温差(主要考虑的温度梯度)

由于混凝土材料基本的特性，在长时间受到温度变化以及日照温差的影响下，造成混凝土桥梁表面的温度迅速上升。但是由于混凝土材料的导热性能较差，使得桥梁结构的内外部温度分布不均匀，使得小箱梁桥梁会形成较大的温度效应。在温度影响下，桥梁产生不同的温度变形。在桥梁支座的约束下会产生不同的应力。温度梯度不仅与桥梁截面形式、尺寸以及桥面铺装材料的厚度以及特性有关，还与当地的日照强度、桥梁所处的地区位置、大气条件等因素相关。在模拟混凝土桥梁的温度效应时，通常根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)设计，采用图4所示的竖向温度梯度曲线。

图4 中国桥规公路桥涵温度梯度曲线

其桥面板表面的最高温度T1规定见表1。当混凝土桥梁梁高H小于400mm时，按照规范A=H-100mm；当梁高H等于或大于400mm时，A=300mm；对带混凝土桥面板的钢结构，A=300mm。

表1 桥面温度梯度取值

(2)体系温差即整体升温以及整体降温

对于作用在桥上的体系温差，首先是要假定温度影响的线性变化，即温度变化曲线沿箱梁的截面高度方向均匀变化。静定结构的体系温差只会造成结构的变位，不会引起结构出现温度次应力；但是对于超静定结构来说，温度荷载会同时导致温度次内力出现。体系温度通常情况是按桥梁所处地区的月平均最高和最低温度来确定，年温变化是一种随年气温变化而导致的结构平均温度的变化，长期温度作用下可以忽略温度场在空间位置上不均匀性，将其表示为一个函数，只与时间相关。

根据查阅资料可知：该桥所在地区气候为暖温带大陆性季风气候，年均气温8.8℃，一月零下7℃，七月23℃。按照所了解到的实际情况，取环境温度为8.8℃，整体升温14.2℃，整体降温15.8℃来模拟结构的整体升降温。研究温度荷载对T梁受力性能的影响时，具体可以分为以下几个工况：

工况Ⅰ：无温度作用。

工况Ⅱ：温度梯度作用。

工况Ⅲ：整体升温14.2℃。

工况Ⅳ：整体降温15.8℃。

2.2 控制截面以及关键点的确定

任意一点的空间应力状态由六个应力分量σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx组成，根据最大拉应力强度理论，混凝土是否开裂取决于最大主拉应力。因此主要研究箱梁顺桥向的各控制截面的主应力分布情况，按照常见的规定，受拉为正、受压为负。

主要控制截面选取：边跨1/4截面(1)、跨中截面(2)、3/4截面(3)；次边跨支点截面(4)、1/4截面(5)、跨中截面(6)、3/4截面(7)；中跨支点截面(8)、1/4截面(9)、跨中截面(10)、3/4截面(11)。关键点取主要控制截面的上缘、下缘中点。

3 温度荷载对装配式桥梁受力性能的影响

3.1 对应力的影响

在不同工况，即不同温度荷载作用下，各控制截面的上、下缘应力数据，如表2所示。

由表2可以绘制出各控制截面的上下缘应力在不同工况下的应力折线图，如图5、图6所示。

由表2、图5、图6数据可得出如下结论：

图5 控制截面上缘应力折线图

图6 控制截面下缘应力折线图

表2 控制截面应力上下缘应力统计表(单位：MPa)

(1)在温度梯度作用下，控制截面的上缘应力均有明显的增大，其中5号截面应力增长最为明显，应力达到了22.972MPa，接近混凝土的极限抗压强度；控制截面的下缘应力均有明显减小，其中支点截面4出现了拉应力，大小为0.1348MPa，对结构受力不利。

(2)在整体升温荷载作用下，全部截面上缘压应力均出现减小现象，其中截面3、截面4、截面5、截面7、截面8、截面9、截面11应力减小较为明显，最多减小1.843MPa，其余截面应力增长不明显；下缘压应力出现增大现象，其中截面1、截面2、截面3、截面5、截面6、截面7、截面9、截面10、截面11应力增大较为明显，其余截面应力增长不明显。

(3)在整体降温荷载作用下，全部截面上缘压应力均出现增大现象，其中截面3、截面4、截面5、截面7、截面8、截面9、截面11应力增大较为明显，最大增加1.243MPa，其余截面应力增大不明显；全部截面下缘压应力均出现减小现象，其中截面1、截面2、截面3、截面5、截面6、截面7、截面9、截面10、截面11应力减小较为明显，最多减小0.398MPa，其余截面应力减小不明显。

3.2 挠度的影响

在不同工况，即不同温度荷载作用下，各跨跨中竖向挠度见表3。

表3 各跨跨中挠度统计表(mm)

由表3可以绘制出各跨跨中挠度折线图，如图7所示。

图7 各跨挠度变化线

由表3、图7数据可得出如下结论：

(1)在温度梯度作用下，边跨跨中挠度增大明显，次中跨跨中挠度略微减小，中跨跨中挠度略微增大。

(2)在整体升温荷载作用下，边跨、次边跨、中跨挠度增大，增大幅度相同；在整体降温荷载作用下，边跨、次边跨、中跨挠度减小，减小幅度相同。

(3)整体升降温对桥梁结构受力以及变形造成的影响较小，且变化均匀；而温度梯度会对桥梁结构的受力以及变形造成很大的影响，且影响情况比较复杂。

4 结论

研究了温度荷载对预应力混凝土装配式桥梁受力性能的影响，按照温度梯度、整体升温、降温几个工况，赋予ANSYS模型不同类型的温度荷载，从而得到控制截面关键点在不同工况下的应力、挠度数值，绘制曲线进而得到以下结论：

(1)温度梯度与整体升、降温对桥梁结构所产生的作用效果是不同的。整体升、降温对桥梁结构受力以及变形造成的影响较小，且变化均匀；而温度梯度会对桥梁结构的受力以及变形造成很大的影响，且影响情况比较复杂。

(2)温度梯度对结构受力的影响较整体升温、整体降温更大，因此一定要考虑温度梯度的作用。