预应力混凝土连续箱梁桥日照效应研究

摘要:本文在己有研究成果的基础上,着重研究了日照效应对连续梁的影响分析方法。通过工程实例证明,该方法能够较精确的计算出大跨度预应力混凝土桥梁在日照效应下的内力分布规律,有一定的工程应用价值。

关键词: 混凝上;温度;收缩;徐变

引言

随着空心高桥墩、大跨度预应力混凝土箱梁桥等一些混凝土结构的发展,温度应力对混凝土结构的影响和危害,已越来越引起工程界的重视。理论分析和试验研究均已证明,在大跨度预应力混凝土箱形梁桥中,温度应力可以达到甚至超出活载应力,被认定是预应力混凝土桥梁结构产生裂缝的主要原因。

大量的试验研究证明,短时的变化急剧的太阳辐射引起的结构温度变化和骤然降温(包括日落降温、寒流等)引起的结构温度变化,对混凝土结构的影响比长期缓慢的年气温荷载影响更大。因此,本文太阳辐射引起的梯度温度作用对连续梁桥的影响。

1温度分布与温度应力

由于混凝土的导热系数较小,混凝土结构物竣工以后,在外表面温度急变的情况下,内部温度的变化存在明显的滞后现象,导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异,形成了非线性分布的温度状态。这种分布状态同时受外界条件和内部因素的影响。

混凝土结构的温度应力,实际上是一种约束应力。当结构物由于温度变化产生的变形受到约束时所产生的应力,即称为温度应力。反之,如果结构物因温度变化而产生的变形,能自由地伸缩时,则不会发生这种温度应力。

2温度荷载的形成

由于混凝土结构的热传导性能差,其周围环境及日辐射等作用,将使表面温度迅速上升(或降低),但结构的内部温度仍基本处于原来的状态,这样在混凝土结构中便形成了较大的温度梯度,当结构存在内、外约束时,会产生相当大的温度应力(亦称温差应力)。引起这种温度应力的荷载称为温度荷载。其主要包括:日照温度变化;骤然降温温度变化;年温温度变化等。

3温度应力计算理论

由前面的分析可知,预应力混凝土箱梁结构在日照作用下,会产生不均匀的温度场,箱梁因此而产生的变形受到约束时,就会产生相应的温差应力。日照温度应力包括了两个部分:自约束应力和约束应力。

在计算混凝土箱梁日照温差应力时,为了处理问题方便和简化计算,一般采用以下基本假定:

①沿梁长方向的温度分布是均匀的;

②假定混凝土材料符合弹性变形规律;

③贝努里平面变形假定可以适用;

④计算认为水泥的水化热完全消失;

⑤假定混凝土的各项物理参数是恒定的;

⑥可按单向温度荷载计算,然后迭加构成双向温度荷载计算。

4 混凝土箱梁日照温度自应力计算

中国公路桥涵设计通用规范(JTG D60――2004)对温度效应的规定如图1所示,图中桥面板表明的最高温度T1规定见表1,对混凝土结构,当梁高H小于400mm时,图中A=H-100(mm);梁高H等于或大于400mm时,A=300mm。对于带混凝土桥面板的钢结构,A=300mm,图中t为混凝土桥面板的厚度。

竖向日照正温差计算的温度基数表1

5大跨径连续箱梁日照效应实例研究

西汉高速某桥上部结构60+590+60米预应力混凝土连续刚构箱梁由上、下行的两个单箱单室箱型断面组成,箱梁根部高度5米,跨中高度2. 5米,其间梁高按二次抛物线变化。

日照升温作用下连续箱梁桥主梁及各墩位移值比较图

日照降温作用下连续箱梁桥主梁及各墩位移值比较图

计算结果表明,在日照升温(体系升温+正温差)和日照降温(体系升温+负温差)作用下,刚构桥主梁边跨的变形方向相反。桥梁边跨边墩附近梁段在升温荷载作用下,挠度值达到-0.49(向下),而在降温荷载作用下,挠度值为0.38(向上)。中跨跨中截面均呈下挠趋势。升温荷载作用下中跨挠度值为-0.24(向下),降温荷载作用下挠度值为-0.18(向下);升温荷载和降温荷载在主梁引起的内力值符号相反,升温荷载在桥梁中跨跨中引起的弯矩值达到-1.69×104kNm。降温荷载在桥梁中跨跨中引起的弯矩值达到1.71×104kNm;在升温荷载作用下,主梁上缘受拉下缘受压,中跨跨中最大压应力为1.21MPa,最大拉应力为0.66MPa;在降温作用下,主梁上缘受压下缘受拉,最大拉应力为1.20MPa,最大拉应力为0.69MPa

6结 论

对日照温差引起的结构变形进行计算分析发现:日照温差引起的结构变形主要是竖向挠度和顺桥向水平位移,最大竖向挠度一般出现在桥梁的跨中部位,在升温荷载作用下跨中下挠,降温时呈上挠。

上部箱梁受日照温差作用下的应力分布规律:在日照升温作用下,截面上缘出现压应力,截面下缘一般出现拉应力;日照温差应力最大的截面一般都是在跨中位置,墩顶截面的日照温差应力较小。上部箱梁在日照温差作用下对下部结构的影响不大,产生的应力数值较小。

参考文献:

[1]CEN: Design of Concrete Structures. Eurocode 2 Part 10: Structure Fire Design. Commission of European Communities, April,1990

[2]过镇海.钢筋混凝土原理[M]. 北京:清华大学出版社,1999,3

[3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007,10