预应力混凝土连续箱梁桥温度效应研究

高大峰， 董　旭， 陈凯旋， 路　军

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安　710055)



预应力混凝土连续箱梁桥温度效应研究

高大峰， 董旭， 陈凯旋， 路军

(西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安710055)

[摘要]温度变化不但会产生温度应力，而且也会产生变形。结合工程实例，在中跨离墩中心线5 m、1/4跨和1/2跨处布置温度计和应变计，并对其温度和应变进行现场一昼夜观测。根据所观测的温度数据，取用最不利时刻温度进行温度分布曲线的拟合。运用Midas/Civil软件建立模型，计算出该温度模式下的理论温度应力和温度变形，比较实测值和理论值的差异。结果表明，温度拟合曲线符合实际的温度分布，可为该地同一时期其他桥梁提供一个温度计算的依据；并且由分析数据可知在最不利温度时刻，温差使箱梁顶板产生压应力，底板产生拉应力，随着往跨中的移动，应力值逐渐增大，因而，严格控制合拢段的预张拉应力是至关重要的。

[关键词]桥梁； 温度分布曲线； 温度应力； 温度变形； 温度模式

0前言

混凝土箱梁在日照辐射下，箱梁表面会快速升温或降温，由于混凝土传导性能差，箱内温度并未随箱表面大幅度变化，而是一种渐变的过程，这种内外温差在箱梁高度和宽度方向形成温度梯度[1-4]。箱梁在温度差作用下产生变形，当受到混凝土箱身纤维的约束和外部支撑的约束时，将产生温度应力[5]，如果设计时不给予充分考虑，甚至会产生裂缝[6，7]。日照温差产生的这些影响引起了工程界和学术界的重视，如刘兴法[8]工程师采用指数函数分布式，研究了桥墩壁厚方向的温度梯度；齐少东，陈少峰[9]参照了4国5种不同温度梯度规范，拟合出温度梯度计算式，并且通过对施工过程中标高的观测值进行温度修正等。但是，这些研究并未对不同型式的梁截面以及各地区做出详尽的规定。因此，必须进行现场温度的观测，找出适合自己的温度分布曲线。本文以三跨连续梁桥为工程背景，对预应力混凝土连续梁桥进行温度效应研究。

1工程概括

西塞山互通1号桥主桥全长132.0 m，跨径组合为36+60+36 m(见图1)。采用上下两幅，南北走向，上部为现浇预应力混凝土变截面连续箱梁，为三向预应力混凝土结构，边中跨比为0.6，桥梁单幅宽15.5 m，采用单箱单室截面。支点处梁高3.8 m，高跨比为1/15.79；跨中梁高为1.8 m，高跨比为1/33.33(见图2)，支点根部底板厚度50 cm，跨中底板厚度28 cm。桥梁修建时间为2014年3月至2014年11月。

图1　西塞山互通1号桥主桥布置(单位： mm)Figure 1　The layout diagram of xi sai hu tong bridge　　　(unit： mm)

图2　箱梁截面(单位： mm)Figure 2　The section of box girder(unit： mm)

2温度观测以及温度分布曲线的拟合

2.1现场温度测点布置

为反映日照下箱梁理想温度分布，进行现场温度的监测；布置位置选取靠近21号墩的主跨1/4位置，如图1(1-1截面)所示，梁高2.329 m，箱梁截面温度计布置点见图3，顶板、底板、左右腹板各布置三个温度计其中测点1、3、4、6、7、9、10、12离混凝土表面4 cm，测点2、5、8、11位于混凝土板厚中间位置；温度计采用JMT-36B半导体温度计；测量时间选择2014年10月23日到10月24日，从23日晚19：30到24日17：30每2 h测一次。

图3　箱梁截面温度计布置点(单位： mm)Figure 3　The section layout diagram of temperature 　　　measuring points in box girder(unit： mm)

2.2箱梁温度观测结果分析

图4为箱内外时间—温度曲线。箱内趋于恒温，最大温差2 ℃，而箱外环境温差很大，早晨5：30温度最低11.8 ℃，下午13：30温度最高25.7 ℃，最大温差13.9 ℃。图5为箱梁截面各测点的时间—温度曲线，由图5可知：

① 各点温度均在早晨5：30左右达到最低，推测日出时间为5：30；

② 顶板受日照辐射影响较大，温度变化明显(图5(a))；相应的底板温度整体变化缓和(见图5(d))；

③ 顶板在下午15：30左右各点温度达到最高值，而腹板和底板各点温度存在时间滞后的现象，大致在下午17：30左右温度达到最高值；

④ 左右腹板温度变化趋势大体相同；左腹板4测点温度变化趋势与顶板3个测点个相似(如图5(b))，这主要是因为桥梁为南北走向，左腹板受到日照一定的辐射；而右腹板处于左右两幅之间(左右幅之间只有25 cm)，遮住了日照辐射，温度变化更趋缓和。

图4　箱内外时间—温度分布曲线Figure 4　The time—temperature distribution curve of 　　　inside and outside box

图5　箱梁截面各测点时间—温度分布曲线Figure 5　The time—temperature distribution curve of the 　　　measuring points of the box girder

2.3箱梁温度场拟合

一般桥梁纵向温度分布比较均匀[10]，故不计桥梁纵向影响，这样就可把三维温度梯主要考虑为横向、竖向的二维温度梯度[11]；西塞互通1号桥竖向梁高较小，悬臂根部梁高只有3.8 m，竖向的热传导远远大于横向的，故这里忽略横向的热传导作用，近似用竖向的(箱梁高度方向)一维传导状态分析，简化分析一维热传导问题，即T=f(y，t)[12-14]。

取用最不利温度时刻(15：30)的梁高方向的各测点温度，运用MATLAB软件拟合温度分布曲线为：

T=9.849e-3.821z(0≤z≤2.027)

T=1.78z-3.64(2.207≤z≤2.329)

式中：T为计算点处的温差，℃；z为计算点离箱梁顶表面的距离，m。

拟合温度分布曲线见图6。

图6　拟合温度分布曲线Figure 6　Fitting temperature distribution curve

3箱梁温度应力以及挠度的计算分析

3.1有限元模型建立

采用Midas/Civil建立西塞山互通1号桥主桥分析模型，全桥共47个节点，46个基本单元，模型示意图见图7，梁段采用C50混凝土，混凝土热膨胀系数为α(1.0×10- 5)，容重取2 600 kg/m3，弹性模量为3.45×104MPa。

图7　有限元计算模型图Figure 7　Calculation model diagram of FME

3.2箱梁温度应力的计算分析

温度的变化会伴生温度荷载，本文以拟合的温度场为温度荷载；进行现场测量时，只需保持其他基本荷载不发生变化，测出的应力差便是温度荷载引起的温度应力[15]。应力测点截面布置在A-A(h=3.323 m)、B-B(h=2.329 m)、C-C(h=1.8 m)三个截面，见图8，箱梁应变计布置见图9。

图8　应力测点截面布置图(单位： mm)Figure 8　The section layout diagram of stress test point　　　(unit： mm)

图9　箱梁截面应变计布置图Figure 9　The layout diagram of strain gauge in the box girder

假定早晨5：30时刻的温度应力为0，其余时刻采用温度应力差值，顶板和底板各取3个测点的平均值作为其温度应力，时间—应力曲线见图10、图11；由图可以看出：

① 顶板在各个时刻温度应力为压应力，并随着向跨中移动而增大；

② 底板在各个时刻温度应力为拉应力，并随着向跨中移动而增大；

图10　各截面顶板时间—应力曲线Figure 10　The temperature—stress curve of each 　　　section of roof

图11　各截面底板时间—应力曲线Figure 11　The temperature—stress curve of each section of floor

理论温度应力与实测温度应力差值比较见表1。从表1可以看出：随着往跨中方向梁高的减小，顶板的压应力和底板的拉应力值增大，并且实测温度应力值比理论温度应力值大。

表1 理论温度应力与实测温度应力Table1 Thetheoreticaltemperaturestressandmeasuredtemperaturestress测点截面梁高/m理论值/MPa实测值/MPa误差/%A-A截面顶板A-A截面底板3.323-1.223-2.795/0.8881.03516.60B-B截面顶板B-B截面底板2.329-2.43-2.93320.701.5311.4495.40C-C截面顶板C-C截面底板1.8-3.787-3.6234.302.3182.5198.70

3.3箱梁挠度的计算分析

超静定结构的温度变化会产生温度应力，且会产生变形，图12为最不利15：30时刻，拟合温度分布曲线计算出的变形图，理论与实测挠度见表2。

图12温度引起的变形图
Figure 12The deflection deformation diagram caused by
temperature

表2 最不利温度时刻理论挠度与实测挠度Table1 Thetheoreticaldeflectionandmeasureddeflectionunderthemostunfavorabletemperaturemoment测点离21号墩距离/m理论值/mm实测值/mm17-5.5-821-6.8-925-7.7-1030-8.1-11

由表2可知：最不利时刻温差引起的挠度越靠近跨中越大，跨中最大挠度值为11 mm，实测值和理论值吻合良好，且实测值较大些。

4结论

① 太阳辐射下，混凝土箱梁温度场分布复杂，顶板温度变化明显，且在15：30前后达到最大值，左右腹板、底板的温度变化则趋于稳定；并且腹板和底板各点相对箱梁外温温度变化有滞后的现象；

② 温度模式下的理论温度应力、挠度与实测值吻合，温度拟合曲线比较符合实际的温度分布，可为该地同一时期施工的桥梁提供一定的参考；

③ 日照温差引起的箱梁温度应力，箱梁顶板有受压的趋向，箱梁底板有受拉的趋向，并且应力大小都随着往跨中方向移动而增大，施工合拢前要充分考虑这种温度应力，严格控制合拢段预张拉应力，避免底板因为温度拉应力而产生裂缝；

④ 温差引起的挠度随跨度的增大而增大，工程测量中应该避开最不利时刻，选择温差较小的傍晚或早晨进行。

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Research on Temperature Effects For Prestressed Concrete Continuous Box-girder Bridges

GAO Dafeng， DONG Xu， CHEN Kaixuan， LU Jun

(School of Civil Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an， Shanxi 710055， China)

[Abstract]The changes of temperature not only can produce temperature stress，and also can produce deformation.Combined with engineering instance，decorate thermometer and strain gauge in pier across from the centerline of 5 m，1/4 and 1/2 cross，and observe the temperature and strain during day and night on the spot.According to the observed temperature data，and taking the most unfavorable moment on temperature distribution curve fitting.To calculate the temperature stress and temperature deformation under the temperature mode theory according to Midas/Civil software，compare the difference between the measured values and the theoretical value.The results show that the temperature curve fitting is in line with realistic temperature distribution and provide a temperature calculation basis for other bridges of the region.In the same time，analysis data also shows that the difference of box girder temperature brings about compressive stress in the roof and tensile stress in the floor，and with the move to midspan，the stress increases in the roof and floor.So it is crucial to control the pretension folded of section.

[Key words]bridges； temperature distribution curve； temperature stress； temperature deformation； temperature mode

[中图分类号]U 448.21+5

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0080—04

[作者简介]高大峰(1962—)，男，陕西西安人，教授，博士，主要从事工程与抗震的研究与科研工作。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51408453)；陕西省重点学科建设专项基金项目(E01004)。

[收稿日期]2014—12—29