温度自应力对连续钢构桥的影响

摘要：对于高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥，由于混凝土材料本身导热性较差，在各种温度变化作用下，桥梁结构会产生相当大的变形、内力甚至出现温度裂缝。本文依托薛家坝2#大桥，对高墩大跨连续刚构由太阳辐射引起的温度梯度和温度应力进行了研究。分析了上部结构温度梯度荷载作用下的全桥应力。结果表明，在整体降温和负温度梯度效应作用下会在支点附近产生较大的拉应力，从而导致截面开裂。

关键词：温度自应力；连续刚构桥；局部降温；负温度梯度

1.连续刚构桥温度效应的国内外研究现状

自上世纪60年代以来，国内外均发生过多起由于温度效应而导致混凝土桥梁结构发生严重开裂的事故。例如，对美国Champigny桥的支座反力进行观测时发现，一日内变化幅度高达26%，仅由次所引起的最大下翼缘拉应力就达到3.92MPa；新西兰新市场高架桥的预应力混凝土箱梁因日照温差产生的温度应力导致该桥发生严重开裂，随后耗资300000美元进行修复；德国Jagst桥的厚腹板箱梁在通车第五年发生严重开裂，经估算温度拉应力高达2.6MPa。国内方面，通惠河连续箱梁、九江长江大桥引桥40m箱梁以及漓江二桥箱梁等也都发生了开裂[1]～[3]。

2.温度荷载的类型及特点

混凝土结构中的温度荷载主要有两个方面：一是在施工浇筑阶段由于混凝土水化反应所引起的温度荷载。二是由自然环境变化所造成的温度荷载，一般分为三种类型，即年温度荷载、日照温度荷载和骤然降温温度荷载。温度荷载不同于一般桥梁荷载，其产生原因复杂，而且具有空间性、时间性、结构特性以及地域特性等特点。具体讲来有以下三个特点[4]：

1、由于温度荷载沿壁板厚度方向为非线性分布，故截面上温度应力分布也具有明显的非线性。

2、应力和应变不符合简单的虎克定律，经常出现小应变大应力和大应变小应力的情况，但平面变形规律仍然适用。温度应力则与平面变形后所保留的温度应变和温度自由应变差成正比。

3、由于温度分布是瞬时变化的，结构中的温度应力也瞬时变化，因此温度应力具有明显的时间性。

3.有限元分析

3.1模型建立

计算采用桥梁博士软件V3.3，按照桥梁构造、施工节段划分等建立计算模型。箱梁截面在Autocad绘制后导入到桥博程序中，桥墩截面利用桥博自带截面方式输入，桥墩横隔板用集中力模拟，预应力钢束按设计图纸提供的参数输入，管道摩阻系数、管道偏差系数按设计文件取值。

3.2工况分类

各种作用考虑如下：（1）体系升温：28℃，体系降温：-26.5℃；（2）截面温度梯度：T14℃/5.5℃（截面正温差），T-7℃/-2.75℃（截面负温差）。

荷载组合如表 1所示

3.3各工况下应力结果

在工况I作用下，即不考虑沉降和温度效应，无论是长期效应还是短期效应，各截面应力均满足要求。

在工况II作用下，考虑了沉降、升温和正温度梯度效应。各截面应力也能满足要求。

在工况III作用下，考虑了沉降、降温和负温度梯度效应。支点附近截面拉应力不能满足规范要求。

3.4理论分析

由3.3节可知当不施加温度效应时。截面应力无论是拉应力还是压应力均能满足要求。当考虑了升温和正温度梯度效应时，也能满足要求。当考虑了降温和负温度梯度效应时，此时截面拉应力不满足要求。此时温度荷载产生了约为1.86MPa的拉应力。

设温度梯度沿梁高按任意曲线式 分布如图所示，取单位杆长ds=1的微分块，由于梁截面的应变应符合平截面假定，故当它的纵向纤维受到相互作用时，截面的最终应变仍为直线分布[5]。

图 1 温度梯度分布图

结构的温度自应 ：

式中： 为基轴y=0处的应变； 为单元梁段挠曲变形后的曲率； 为基轴以上任意一点应变的坐标； 为混凝土线膨胀系数； 为温度梯度，即温度差沿y轴方向的变化； 为截面沿y轴方向的宽度变化； 、 、 为分别为截面面积、重心轴坐标和截面抗弯惯性矩。

在实际计算中，由于 和 相对而言比较小，为了简化计算可忽略。所以有：

由此可知当考虑了负温度效应时，将产生大约1.9MPa的拉应力。在跨中梁段处这部分拉应力可由预应力抵消。但是在支点处由于预应力作用不大。故不能将该拉应力抵消。截面将出现裂缝。

4.结论

1、整体升温荷载将引起桥上部结构的压应力增大，但增加幅度较小且不超过容许压应力。并且在任何截面都不出现拉应力。

2、整体降温和负温度梯度效应会产生温度自应力，温度自应力会使得截面出现拉应力，由于在支点附近，没有可与拉应力相抵消的力。所以支点附近截面的拉应力会超过容许值，甚至开裂。

参考文献：

1. 刘进.高墩大跨连续刚构桥静力非线性与稳定性研究[D].长沙.湖南大学.2004

2. 周军生，楼庄鸿.国内外大跨径预应力混凝土连续刚构桥的现状和发展趋势[C].1999年全国桥梁学术会议论文集.北京：人民交通出版社.1999

3. 胡志理.预应力混凝土预制梁裂缝产生的主要原因及改进措施[J].中外公路.2002.

（2）：108一11

4. 罗小峰.高墩多跨连续.刚构桥温度效应分析及稳定性研究[D].北京.北京交通大学.2010

5. 邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算[M].北京：人民交通出版社.2007